<<java 并发编程>>第七章：取消和关闭

Java没有提供任何机制来安全地终止线程，虽然Thread.stop和suspend等方法提供了这样的机制，但是存在严重的缺陷，应该避免使用这些方法。但是Java提供了中断Interruption机制，这是一种协作机制，能够使一个线程终止另一个线程的当前工作。

这种协作方式是必要的，我们很少希望某个任务线程或者服务立即停止，因为这种立即停止会时某个共享的数据结构处于不一致的状态。相反，在编写任务和服务的时候可以使用一种协作方式：当需要停止的时候，它们会先清除当前正在执行的工作，然后再结束。

7.1  任务取消

如果外部代码能够在某个操作正常完成之前将其置于 完成 状态，那么这个操作就可以称为可取消的Cancellable

其中一种协作机制是设置一个取消标志Cancellation Requested标志，而任务定期查看该标志。

1. @ThreadSafe
2. public class PrimeGenerator implements Runnable {
3. private static ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
4. @GuardedBy("this")
5. private final List<BigInteger> primes = new ArrayList<BigInteger>();
6. private volatile boolean cancelled;
7. public void run() {
8. BigInteger p = BigInteger.ONE;
9. while (!cancelled) {
10. p = p.nextProbablePrime();
11. synchronized (this) {
12. primes.add(p);
13. }
14. }
15. }
16. public void cancel() {
17. cancelled = true;
18. }
19. public synchronized List<BigInteger> get() {
20. return new ArrayList<BigInteger>(primes);
21. }
22. static List<BigInteger> aSecondOfPrimes() throws InterruptedException {
23. PrimeGenerator generator = new PrimeGenerator();
24. exec.execute(generator);
25. try {
26. SECONDS.sleep(1);
27. } finally {
28. generator.cancel();
29. }
30. return generator.get();
31. }
32. }

在Java的API或语言规范中，并没有将中断与任何语义关联起来，但实际上，如果在取消之外的其他操作中使用中断，那么都是不合适的，并且很难支撑起更大的应用。

每个线程都有一个boolean类型的中断状态。但中断线程时，这个线程的中断状态将被设置成true。

Thread中的三个方法：

public void interrupt()   中断一个线程

public boolean isInterrupted()  获取中断标志，判断是否中断

public static boolean interrupted()  清楚中断状态，并返回它之前的状态值

线程在阻塞状态下发生中断的时候会抛出InterruptedException，例如Thread.sleep(), Thread.wait(), Thread.join()等方法。

当线程在非阻塞状态下中断的时候，它的中断状态将被设置，然后根据检查中断状态来判断是否中断。

调用interrupt并不意味着立即停止目标线程正在进行的工作，而只是传递了请求中断的消息，换句话说，仅仅修改了线程的isInterrupted标志字段。

通常，中断时实现取消的最合理方式。

1. public class PrimeProducer extends Thread {
2. private final BlockingQueue<BigInteger> queue;
3. PrimeProducer(BlockingQueue<BigInteger> queue) {
4. this.queue = queue;
5. }
6. public void run() {
7. try {
8. BigInteger p = BigInteger.ONE;
9. while (!Thread.currentThread().isInterrupted())
10. queue.put(p = p.nextProbablePrime());
11. } catch (InterruptedException consumed) {
12. /* Allow thread to exit */
13. }
14. }
15. public void cancel() {
16. interrupt();
17. }
18. }

7.1.3  响应中断

只有实现了线程中断策略的代码才可以屏蔽中断请求，在常规任务和库代码中都不应该屏蔽中断请求。

两种方法响应中断:

* 传递异常InterruptedException

* 恢复中断状态，从而使调用栈中上层代码能够对其进行处理

不可取消的任务在退出前恢复中断标志

1. public class NoncancelableTask {
2. public Task getNextTask(BlockingQueue<Task> queue) {
3. boolean interrupted = false;
4. try {
5. while (true) {
6. try {
7. return queue.take();
8. } catch (InterruptedException e) {
9. interrupted = true;
10. // fall through and retry
11. }
12. }
13. } finally {
14. if (interrupted)
15. Thread.currentThread().interrupt();
16. }
17. }
18. interface Task {
19. }
20. }

7.1.5  定时任务，通过Future来实现取消：

除非你清楚线程的中断策略，否则不要中断线程，那么在神马情况下调用cancel可以将参数指定为true呢。

如果任务的线程是由标准的Executor创建的，那么可以设置mayInterruptIfRunning。

1. public class TimedRun {
2. private static final ExecutorService taskExec = Executors.newCachedThreadPool();
3. public static void timedRun(Runnable r, long timeout, TimeUnit unit)
4. throws InterruptedException {
5. Future<?> task = taskExec.submit(r);
6. try {
7. task.get(timeout, unit);
8. } catch (TimeoutException e) {
9. // task will be cancelled below
10. } catch (ExecutionException e) {
11. // exception thrown in task; rethrow
12. throw launderThrowable(e.getCause());
13. } finally {
14. // Harmless if task already completed
15. task.cancel(true); // interrupt if running
16. }
17. }
18. }

7.1.6  处理不可中断的阻塞

对于这些线程，中断请求只能设置线程的中断状态，除此之外没有其他任何作用。

我们可以使用类似中断的手段来停止这些线程，但这要求知道线程阻塞的原因。

通过newTaskFor将非标准的取消操作封装在一个任务中：

1. public abstract class SocketUsingTask<T> implements CancellableTask<T> {
2. @GuardedBy("this")
3. private Socket socket;
4. protected synchronized void setSocket(Socket s) {
5. socket = s;
6. }
7. public synchronized void cancel() {
8. try {
9. if (socket != null)
10. socket.close();
11. } catch (IOException ignored) {
12. }
13. }
14. public RunnableFuture<T> newTask() {
15. return new FutureTask<T>(this) {
16. public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
17. try {
18. SocketUsingTask.this.cancel();
19. } finally {
20. return super.cancel(mayInterruptIfRunning);
21. }
22. }
23. };
24. }
25. }
26. interface CancellableTask<T> extends Callable<T> {
27. void cancel();
28. RunnableFuture<T> newTask();
29. }

7.2  停止基于线程的服务

应用程序通常会创建拥有多个线程的服务，如果应用程序准备退出，那么这些服务所拥有的线程也需要正确的结束，由于java没有抢占式方法停止线程，因此需要它们自行结束。

正确的封装原则是：除非拥有某个线程，否则不要对该线程进行操控，例如中断线程或者修改优先级等。

线程有个相应的所有者，即创建该线程的类，因此线程池是其工作者线程的所有者，如果要中断线程，那么应该使用线程池去中断。

线程的所有权是不可传递的。服务应该提供生命周期方法Lifecycle Method来关闭它自己以及它所拥有的线程。这样当应用程序关闭该服务的时候，服务就可以关闭所有的线程了。在ExecutorService中提供了shutdown和shutdownNow等方法，同样，在其他拥有线程的服务方法中也应该提供类似的关闭机制。

Tips：对于持有线程的服务，只要服务的存在时间大于创建线程的方法的存在时间，那么就应该提供生命周期方法。

7.2.1  示例：日志服务

我们通常会在应用程序中加入log信息，一般用的框架就是log4j。但是这种内联的日志功能会给一些高容量Highvolume应用程序带来一定的性能开销。另外一种替代方法是通过调用log方法将日志消息放入某个队列中，并由其他线程来处理。

1. public class LogService {
2. private final BlockingQueue<String> queue;
3. private final LoggerThread loggerThread;
4. private final PrintWriter writer;
5. @GuardedBy("this")
6. private boolean isShutdown;
7. @GuardedBy("this")
8. private int reservations;
9. public LogService(Writer writer) {
10. this.queue = new LinkedBlockingQueue<String>();
11. this.loggerThread = new LoggerThread();
12. this.writer = new PrintWriter(writer);
13. }
14. public void start() {
15. loggerThread.start();
16. }
17. public void stop() {
18. synchronized (this) {
19. isShutdown = true;
20. }
21. loggerThread.interrupt();
22. }
23. public void log(String msg) throws InterruptedException {
24. synchronized (this) {
25. if (isShutdown)
26. throw new IllegalStateException(/*...*/);
27. ++reservations;
28. }
29. queue.put(msg);
30. }
31. private class LoggerThread extends Thread {
32. public void run() {
33. try {
34. while (true) {
35. try {
36. synchronized (LogService.this) {
37. if (isShutdown && reservations == 0)
38. break;
39. }
40. String msg = queue.take();
41. synchronized (LogService.this) {
42. --reservations;
43. }
44. writer.println(msg);
45. } catch (InterruptedException e) { /* retry */
46. }
47. }
48. } finally {
49. writer.close();
50. }
51. }
52. }
53. }

7.2.2  通过ExecutorService去关闭

简单的程序可以直接在main函数中启动和关闭全局的ExecutorService，而在复杂程序中，通常会将ExecutorService封装在某个更高级别的服务中，并且该服务提供自己的生命周期方法。下面我们利用ExecutorService重构上面的日志服务：

1. public class LogService {
2. public void stop() throws InterruptedException {
3. try {
4. exec.shutdown(); exec.awaitTermination(TIMEOUT, UNIT);
5. }
6. }
7. }

7.2.3  利用Poison Pill对象关闭Producer-Consumer服务

7.2.5  当关闭线程池的时候，保存尚未开始的和开始后取消的任务数据，以备后面重新处理，下面是一个网页爬虫程序，关闭爬虫服务的时候将记录所有尚未开始的和已经取消的所有页面URL：

1. public abstract class WebCrawler {
2. private volatile TrackingExecutor exec;
3. @GuardedBy("this")
4. private final Set<URL> urlsToCrawl = new HashSet<URL>();
5. private final ConcurrentMap<URL, Boolean> seen = new ConcurrentHashMap<URL, Boolean>();
6. private static final long TIMEOUT = 500;
7. private static final TimeUnit UNIT = MILLISECONDS;
8. public WebCrawler(URL startUrl) {
9. urlsToCrawl.add(startUrl);
10. }
11. public synchronized void start() {
12. exec = new TrackingExecutor(Executors.newCachedThreadPool());
13. for (URL url : urlsToCrawl) submitCrawlTask(url);
14. urlsToCrawl.clear();
15. }
16. public synchronized void stop() throws InterruptedException {
17. try {
18. saveUncrawled(exec.shutdownNow());
19. if (exec.awaitTermination(TIMEOUT, UNIT))
20. saveUncrawled(exec.getCancelledTasks());
21. } finally {
22. exec = null;
23. }
24. }
25. protected abstract List<URL> processPage(URL url);
26. private void saveUncrawled(List<Runnable> uncrawled) {
27. for (Runnable task : uncrawled)
28. urlsToCrawl.add(((CrawlTask) task).getPage());
29. }
30. private void submitCrawlTask(URL u) {
31. exec.execute(new CrawlTask(u));
32. }
33. private class CrawlTask implements Runnable {
34. private final URL url;
35. CrawlTask(URL url) {
36. this.url = url;
37. }
38. private int count = 1;
39. boolean alreadyCrawled() {
40. return seen.putIfAbsent(url, true) != null;
41. }
42. void markUncrawled() {
43. seen.remove(url);
44. System.out.printf("marking %s uncrawled%n", url);
45. }
46. public void run() {
47. for (URL link : processPage(url)) {
48. if (Thread.currentThread().isInterrupted())
49. return;
50. submitCrawlTask(link);
51. }
52. }
53. public URL getPage() {
54. return url;
55. }
56. }
57. }

1. public class TrackingExecutor extends AbstractExecutorService {
2. private final ExecutorService exec;
3. private final Set<Runnable> tasksCancelledAtShutdown =
4. Collections.synchronizedSet(new HashSet<Runnable>());
5. public TrackingExecutor(ExecutorService exec) {
6. this.exec = exec;
7. }
8. public void shutdown() {
9. exec.shutdown();
10. }
11. public List<Runnable> shutdownNow() {
12. return exec.shutdownNow();
13. }
14. public boolean isShutdown() {
15. return exec.isShutdown();
16. }
17. public boolean isTerminated() {
18. return exec.isTerminated();
19. }
20. public boolean awaitTermination(long timeout, TimeUnit unit)
21. throws InterruptedException {
22. return exec.awaitTermination(timeout, unit);
23. }
24. public List<Runnable> getCancelledTasks() {
25. if (!exec.isTerminated())
26. throw new IllegalStateException(/*...*/);
27. return new ArrayList<Runnable>(tasksCancelledAtShutdown);
28. }
29. public void execute(final Runnable runnable) {
30. exec.execute(new Runnable() {
31. public void run() {
32. try {
33. runnable.run();
34. } finally {
35. if (isShutdown()
36. && Thread.currentThread().isInterrupted())
37. tasksCancelledAtShutdown.add(runnable);
38. }
39. }
40. });
41. }
42. }

7.3  处理非正常的线程终止

通过给应用程序提供一个UncaughtExceptionHandler异常处理器来处理未捕获的异常：

1. public class UEHLogger implements Thread.UncaughtExceptionHandler {
2. public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
3. Logger logger = Logger.getAnonymousLogger();
4. logger.log(Level.SEVERE, "Thread terminated with exception: " + t.getName(), e);
5. }
6. }

只有通过execute提交的任务，才能将它抛出的异常交给未捕获异常处理器。而通过submit提交的任务，无论是抛出未检查异常还是已检查异常，都将被认为是任务返回状态的一部分

7.4  JVM关闭的时候提供关闭钩子

在正常关闭JVM的时候，JVM首先调用所有已注册的关闭钩子Shutdown Hook。关闭钩子可以用来实现服务或者应用程序的清理工作，例如删除临时文件，或者清除无法由操作系统自动清除的资源。

最佳实践是对所有服务都使用同一个关闭钩子，并且在该关闭钩子中执行一系列的关闭操作。这确保了关闭操作在单个线程中串行执行，从而避免竞态条件的发生或者死锁问题。

1. Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread() {
2. public void run() {
3. try{LogService.this.stop();} catch(InterruptedException) {..}
4. }
5. })

总结：在任务、线程、服务以及应用程序等模块中的生命周期结束问题，可能会增加它们在设计和实现的时候的复杂性。我们通过利用FutureTask和Executor框架，可以帮助我们构建可取消的任务和服务。

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