《Java并发编程》之五：取消和关闭线程

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。

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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。

@ThreadSafepublic class PrimeGenerator implements Runnable {    private static ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();    @GuardedBy("this")    private final List<BigInteger> primes            = new ArrayList<BigInteger>();    private volatile boolean cancelled;    public void run() {        BigInteger p = BigInteger.ONE;        while (!cancelled) {            p = p.nextProbablePrime();            synchronized (this) {                primes.add(p);            }        }    }    public void cancel() {        cancelled = true;    }    public synchronized List<BigInteger> get() {        return new ArrayList<BigInteger>(primes);    }    static List<BigInteger> aSecondOfPrimes() throws InterruptedException {        PrimeGenerator generator = new PrimeGenerator();        exec.execute(generator);        try {            SECONDS.sleep(1);        } finally {            generator.cancel();        }        return generator.get();    }}

?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。

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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。

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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

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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。

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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。

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通常，中断时实现取消的最合理方式。

public class PrimeProducer extends Thread {    private final BlockingQueue<BigInteger> queue;    PrimeProducer(BlockingQueue<BigInteger> queue) {        this.queue = queue;    }    public void run() {        try {            BigInteger p = BigInteger.ONE;            while (!Thread.currentThread().isInterrupted())                queue.put(p = p.nextProbablePrime());        } catch (InterruptedException consumed) {            /* Allow thread to exit */        }    }    public void cancel() {        interrupt();    }}

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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

public class NoncancelableTask {    public Task getNextTask(BlockingQueue<Task> queue) {        boolean interrupted = false;        try {            while (true) {                try {                    return queue.take();                } catch (InterruptedException e) {                    interrupted = true;                    // fall through and retry                }            }        } finally {            if (interrupted)                Thread.currentThread().interrupt();        }    }    interface Task {    }}

?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。

public class TimedRun {    private static final ExecutorService taskExec = Executors.newCachedThreadPool();    public static void timedRun(Runnable r, long timeout, TimeUnit unit)            throws InterruptedException {        Future<?> task = taskExec.submit(r);        try {            task.get(timeout, unit);        } catch (TimeoutException e) {            // task will be cancelled below        } catch (ExecutionException e) {            // exception thrown in task; rethrow            throw launderThrowable(e.getCause());        } finally {            // Harmless if task already completed            task.cancel(true); // interrupt if running        }    }}

?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：?

public abstract class SocketUsingTask<T> implements CancellableTask<T> {    @GuardedBy("this")    private Socket socket;    protected synchronized void setSocket(Socket s) {        socket = s;    }    public synchronized void cancel() {        try {            if (socket != null)                socket.close();        } catch (IOException ignored) {        }    }    public RunnableFuture<T> newTask() {        return new FutureTask<T>(this) {            public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {                try {                    SocketUsingTask.this.cancel();                } finally {                    return super.cancel(mayInterruptIfRunning);                }            }        };    }}interface CancellableTask<T> extends Callable<T> {    void cancel();    RunnableFuture<T> newTask();}

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?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。

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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。

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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。

public class LogService {    private final BlockingQueue<String> queue;    private final LoggerThread loggerThread;    private final PrintWriter writer;    @GuardedBy("this")    private boolean isShutdown;    @GuardedBy("this")    private int reservations;    public LogService(Writer writer) {        this.queue = new LinkedBlockingQueue<String>();        this.loggerThread = new LoggerThread();        this.writer = new PrintWriter(writer);    }    public void start() {        loggerThread.start();    }    public void stop() {        synchronized (this) {            isShutdown = true;        }        loggerThread.interrupt();    }    public void log(String msg) throws InterruptedException {        synchronized (this) {            if (isShutdown)                throw new IllegalStateException(/*...*/);            ++reservations;        }        queue.put(msg);    }    private class LoggerThread extends Thread {        public void run() {            try {                while (true) {                    try {                        synchronized (LogService.this) {                            if (isShutdown && reservations == 0)                                break;                        }                        String msg = queue.take();                        synchronized (LogService.this) {                            --reservations;                        }                        writer.println(msg);                    } catch (InterruptedException e) { /* retry */                    }                }            } finally {                writer.close();            }        }    }}

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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：

public class LogService {    public void stop() throws InterruptedException {        try {            exec.shutdown(); exec.awaitTermination(TIMEOUT, UNIT);        }    }}

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7.2.3 ?利用Poison Pill对象关闭Producer-Consumer服务

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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：

public abstract class WebCrawler {    private volatile TrackingExecutor exec;    @GuardedBy("this")    private final Set<URL> urlsToCrawl = new HashSet<URL>();    private final ConcurrentMap<URL, Boolean> seen = new ConcurrentHashMap<URL, Boolean>();    private static final long TIMEOUT = 500;    private static final TimeUnit UNIT = MILLISECONDS;    public WebCrawler(URL startUrl) {        urlsToCrawl.add(startUrl);    }    public synchronized void start() {        exec = new TrackingExecutor(Executors.newCachedThreadPool());        for (URL url : urlsToCrawl) submitCrawlTask(url);        urlsToCrawl.clear();    }    public synchronized void stop() throws InterruptedException {        try {            saveUncrawled(exec.shutdownNow());            if (exec.awaitTermination(TIMEOUT, UNIT))                saveUncrawled(exec.getCancelledTasks());        } finally {            exec = null;        }    }    protected abstract List<URL> processPage(URL url);    private void saveUncrawled(List<Runnable> uncrawled) {        for (Runnable task : uncrawled)            urlsToCrawl.add(((CrawlTask) task).getPage());    }    private void submitCrawlTask(URL u) {        exec.execute(new CrawlTask(u));    }    private class CrawlTask implements Runnable {        private final URL url;        CrawlTask(URL url) {            this.url = url;        }        private int count = 1;        boolean alreadyCrawled() {            return seen.putIfAbsent(url, true) != null;        }        void markUncrawled() {            seen.remove(url);            System.out.printf("marking %s uncrawled%n", url);        }        public void run() {            for (URL link : processPage(url)) {                if (Thread.currentThread().isInterrupted())                    return;                submitCrawlTask(link);            }        }        public URL getPage() {            return url;        }    }}

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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：

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

?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

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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。

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

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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。