詳細分析Java中斷機制
1. 引言
當我們點選某個防毒軟體的取消按鈕來停止查殺病毒時，當我們在控制檯敲入quit命令以結束某個後臺服務時……都需要通過一個執行緒去取消另一個執行緒正在執行的任務。Java沒有提供一種安全直接的方法來停止某個執行緒，但是Java提供了中斷機制。
如果對Java中斷沒有一個全面的瞭解，可能會誤以為被中斷的執行緒將立馬退出執行，但事實並非如此。中斷機制是如何工作的？捕獲或檢測到中斷後，是丟擲InterruptedException還是重設中斷狀態以及在方法中吞掉中斷狀態會有什麼後果？Thread.stop與中斷相比又有哪些異同？什麼情況下需要使用中斷？本文將從以上幾個方面進行描述。
2. 中斷的原理
Java中斷機制是一種協作機制，也就是說通過中斷並不能直接終止另一個執行緒，而需要被中斷的執行緒自己處理中斷。這好比是家裡的父母叮囑在外的子女要注意身體，但子女是否注意身體，怎麼注意身體則完全取決於自己。
Java中斷模型也是這麼簡單，每個執行緒物件裡都有一個boolean型別的標識（不一定就要是Thread類的欄位，實際上也的確不是，這幾個方法最終都是通過native方法來完成的），代表著是否有中斷請求（該請求可以來自所有執行緒，包括被中斷的執行緒本身）。例如，當執行緒t1想中斷執行緒t2，只需要線上程t1中將執行緒t2物件的中斷標識置為true，然後執行緒2可以選擇在合適的時候處理該中斷請求，甚至可以不理會該請求，就像這個執行緒沒有被中斷一樣。
java.lang.Thread類提供了幾個方法來操作這個中斷狀態，這些方法包括：
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public static boolean interrupted |
測試當前執行緒是否已經中斷。執行緒的中斷狀態 由該方法清除。換句話說，如果連續兩次呼叫該方法，則第二次呼叫將返回 false（在第一次呼叫已清除了其中斷狀態之後，且第二次呼叫檢驗完中斷狀態前，當前執行緒再次中斷的情況除外）。 |
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public boolean isInterrupted() |
測試執行緒是否已經中斷。執行緒的中斷狀態不受該方法的影響。 |
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public void interrupt() |
中斷執行緒。 |
其中，interrupt方法是唯一能將中斷狀態設定為true的方法。靜態方法interrupted會將當前執行緒的中斷狀態清除，但這個方法的命名極不直觀，很容易造成誤解，需要特別注意。
上面的例子中，執行緒t1通過呼叫interrupt方法將執行緒t2的中斷狀態置為true，t2可以在合適的時候呼叫interrupted或isInterrupted來檢測狀態並做相應的處理。
此外，類庫中的有些類的方法也可能會呼叫中斷，如FutureTask中的cancel方法，如果傳入的引數為true，它將會在正在執行非同步任務的執行緒上呼叫interrupt方法，如果正在執行的非同步任務中的程式碼沒有對中斷做出響應，那麼cancel方法中的引數將不會起到什麼效果；又如ThreadPoolExecutor中的shutdownNow方法會遍歷執行緒池中的工作執行緒並呼叫執行緒的interrupt方法來中斷執行緒，所以如果工作執行緒中正在執行的任務沒有對中斷做出響應，任務將一直執行直到正常結束。
3. 中斷的處理
既然Java中斷機制只是設定被中斷執行緒的中斷狀態，那麼被中斷執行緒該做些什麼？
處理時機
顯然，作為一種協作機制，不會強求被中斷執行緒一定要在某個點進行處理。實際上，被中斷執行緒只需在合適的時候處理即可，如果沒有合適的時間點，甚至可以不處理，這時候在任務處理層面，就跟沒有呼叫中斷方法一樣。“合適的時候”與執行緒正在處理的業務邏輯緊密相關，例如，每次迭代的時候，進入一個可能阻塞且無法中斷的方法之前等，但多半不會出現在某個臨界區更新另一個物件狀態的時候，因為這可能會導致物件處於不一致狀態。
處理時機決定著程式的效率與中斷響應的靈敏性。頻繁的檢查中斷狀態可能會使程式執行效率下降，相反，檢查的較少可能使中斷請求得不到及時響應。如果發出中斷請求之後，被中斷的執行緒繼續執行一段時間不會給系統帶來災難，那麼就可以將中斷處理放到方便檢查中斷，同時又能從一定程度上保證響應靈敏度的地方。當程式的效能指標比較關鍵時，可能需要建立一個測試模型來分析最佳的中斷檢測點，以平衡效能和響應靈敏性。
處理方式
1、 中斷狀態的管理
一般說來，當可能阻塞的方法宣告中有丟擲InterruptedException則暗示該方法是可中斷的，如BlockingQueue#put、BlockingQueue#take、Object#wait、Thread#sleep等，如果程式捕獲到這些可中斷的阻塞方法丟擲的InterruptedException或檢測到中斷後，這些中斷資訊該如何處理？一般有以下兩個通用原則：
- 如果遇到的是可中斷的阻塞方法丟擲InterruptedException，可以繼續向方法呼叫棧的上層丟擲該異常，如果是檢測到中斷，則可清除中斷狀態並丟擲InterruptedException，使當前方法也成為一個可中斷的方法。
- 若有時候不太方便在方法上丟擲InterruptedException，比如要實現的某個介面中的方法簽名上沒有throws InterruptedException，這時就可以捕獲可中斷方法的InterruptedException並通過Thread.currentThread.interrupt()來重新設定中斷狀態。如果是檢測並清除了中斷狀態，亦是如此。
一般的程式碼中，尤其是作為一個基礎類庫時，絕不應當吞掉中斷，即捕獲到InterruptedException後在catch裡什麼也不做，清除中斷狀態後又不重設中斷狀態也不丟擲InterruptedException等。因為吞掉中斷狀態會導致方法呼叫棧的上層得不到這些資訊。
當然，凡事總有例外的時候，當你完全清楚自己的方法會被誰呼叫，而呼叫者也不會因為中斷被吞掉了而遇到麻煩，就可以這麼做。
總得來說，就是要讓方法呼叫棧的上層獲知中斷的發生。假設你寫了一個類庫，類庫裡有個方法amethod，在amethod中檢測並清除了中斷狀態，而沒有丟擲InterruptedException，作為amethod的使用者來說，他並不知道里面的細節，如果使用者在呼叫amethod後也要使用中斷來做些事情，那麼在呼叫amethod之後他將永遠也檢測不到中斷了，因為中斷資訊已經被amethod清除掉了。如果作為使用者，遇到這樣有問題的類庫，又不能修改程式碼，那該怎麼處理？只好在自己的類裡設定一個自己的中斷狀態，在呼叫interrupt方法的時候，同時設定該狀態，這實在是無路可走時才使用的方法。
2、 中斷的響應
程式裡發現中斷後該怎麼響應？這就得視實際情況而定了。有些程式可能一檢測到中斷就立馬將執行緒終止，有些可能是退出當前執行的任務，繼續執行下一個任務……作為一種協作機制，這要與中斷方協商好，當呼叫interrupt會發生些什麼都是事先知道的，如做一些事務回滾操作，一些清理工作，一些補償操作等。若不確定呼叫某個執行緒的interrupt後該執行緒會做出什麼樣的響應，那就不應當中斷該執行緒。
4. Thread.interrupt VS Thread.stop
Thread.stop方法已經不推薦使用了。而在某些方面Thread.stop與中斷機制有著相似之處。如當執行緒在等待內建鎖或IO時，stop跟interrupt一樣，不會中止這些操作；當catch住stop導致的異常時，程式也可以繼續執行，雖然stop本意是要停止執行緒，這麼做會讓程式行為變得更加混亂。
那麼它們的區別在哪裡？最重要的就是中斷需要程式自己去檢測然後做相應的處理，而Thread.stop會直接在程式碼執行過程中丟擲ThreadDeath錯誤，這是一個java.lang.Error的子類。
在繼續之前，先來看個小例子：
package com.ticmy.interrupt;
import java.util.Arrays;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class TestStop {
private static final int[] array = new int[80000];
private static final Thread t = new Thread() {
public void run() {
try {
System.out.println(sort(array));
} catch (Error err) {
err.printStackTrace();
}
System.out.println("in thread t");
}
};
static {
Random random = new Random();
for(int i = 0; i < array.length; i++) {
array[i] = random.nextInt(i + 1);
}
}
private static int sort(int[] array) {
for (int i = 0; i < array.length-1; i++){
for(int j = 0 ;j < array.length - i - 1; j++){
if(array[j] < array[j + 1]){
int temp = array[j];
array[j] = array[j + 1];
array[j + 1] = temp;
}
}
}
return array[0];
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
t.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
System.out.println("go to stop thread t");
t.stop();
System.out.println("finish main");
}
}
這個例子很簡單，執行緒t裡面做了一個非常耗時的排序操作，排序方法中，只有簡單的加、減、賦值、比較等操作，一個可能的執行結果如下：
go to stop thread t java.lang.ThreadDeath at java.lang.Thread.stop(Thread.java:758) at com.ticmy.interrupt.TestStop.main(TestStop.java:44) finish main in thread t
這裡sort方法是個非常耗時的操作，也就是說主執行緒休眠一秒鐘後呼叫stop的時候，執行緒t還在執行sort方法。就是這樣一個簡單的方法，也會丟擲錯誤！換一句話說，呼叫stop後，大部分Java位元組碼都有可能丟擲錯誤，哪怕是簡單的加法！
如果執行緒當前正持有鎖，stop之後則會釋放該鎖。由於此錯誤可能出現在很多地方，那麼這就讓程式設計人員防不勝防，極易造成物件狀態的不一致。例如，物件obj中存放著一個範圍值：最小值low，最大值high，且low不得大於high，這種關係由鎖lock保護，以避免併發時產生競態條件而導致該關係失效。假設當前low值是5，high值是10，當執行緒t獲取lock後，將low值更新為了15，此時被stop了，真是糟糕，如果沒有捕獲住stop導致的Error，low的值就為15，high還是10，這導致它們之間的小於關係得不到保證，也就是物件狀態被破壞了！如果在給low賦值的時候catch住stop導致的Error則可能使後面high變數的賦值繼續，但是誰也不知道Error會在哪條語句丟擲，如果物件狀態之間的關係更復雜呢？這種方式幾乎是無法維護的，太複雜了！如果是中斷操作，它決計不會在執行low賦值的時候丟擲錯誤，這樣程式對於物件狀態一致性就是可控的。
正是因為可能導致物件狀態不一致，stop才被禁用。
5. 中斷的使用
通常，中斷的使用場景有以下幾個：
- 點選某個桌面應用中的取消按鈕時；
- 某個操作超過了一定的執行時間限制需要中止時；
- 多個執行緒做相同的事情，只要一個執行緒成功其它執行緒都可以取消時；
- 一組執行緒中的一個或多個出現錯誤導致整組都無法繼續時；
- 當一個應用或服務需要停止時。
下面來看一個具體的例子。這個例子裡，本打算採用GUI形式，但考慮到GUI程式碼會使程式複雜化，就使用控制檯來模擬下核心的邏輯。這裡新建了一個磁碟檔案掃描的任務，掃描某個目錄下的所有檔案並將檔案路徑列印到控制檯，掃描的過程可能會很長。若需要中止該任務，只需在控制檯鍵入quit並回車即可。
package com.ticmy.interrupt;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.File;
import java.io.InputStreamReader;
public class FileScanner {
private static void listFile(File f) throws InterruptedException {
if(f == null) {
throw new IllegalArgumentException();
}
if(f.isFile()) {
System.out.println(f);
return;
}
File[] allFiles = f.listFiles();
if(Thread.interrupted()) {
throw new InterruptedException("檔案掃描任務被中斷");
}
for(File file : allFiles) {
//還可以將中斷檢測放到這裡
listFile(file);
}
}
public static String readFromConsole() {
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
try {
return reader.readLine();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
return "";
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
final Thread fileIteratorThread = new Thread() {
public void run() {
try {
listFile(new File("c:\\"));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
new Thread() {
public void run() {
while(true) {
if("quit".equalsIgnoreCase(readFromConsole())) {
if(fileIteratorThread.isAlive()) {
fileIteratorThread.interrupt();
return;
}
} else {
System.out.println("輸入quit退出檔案掃描");
}
}
}
}.start();
fileIteratorThread.start();
}
}
在掃描檔案的過程中，對於中斷的檢測這裡採用的策略是，如果碰到的是檔案就不檢測中斷，是目錄才檢測中斷，因為檔案可能是非常多的，每次遇到檔案都檢測一次會降低程式執行效率。此外，在fileIteratorThread執行緒中，僅是捕獲了InterruptedException，沒有重設中斷狀態也沒有繼續丟擲異常，因為我非常清楚它的使用環境，run方法的呼叫棧上層已經沒有可能需要檢測中斷狀態的方法了。
在這個程式中，輸入quit完全可以執行System.exit(0)操作來退出程式，但正如前面提到的，這是個GUI程式核心邏輯的模擬，在GUI中，執行System.exit(0)會使得整個程式退出。
6. 參考資料
