Java多線程編程中，如何優(yōu)雅地終止線程？
Java線程中斷（Interrupt）是Java語(yǔ)言的一個(gè)重要特性，它允許一個(gè)線程在另一個(gè)線程運(yùn)行時(shí)發(fā)出信號(hào)，告訴該線程停止正在執(zhí)行的操作。本篇博客將深入探討Java線程中斷的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，包括線程中斷的基本原理、如何使用線程中斷、如何處理線程中斷等方面。
1、線程中斷的基本原理
線程中斷是一種協(xié)作式的機(jī)制，由一個(gè)線程向另一個(gè)線程發(fā)出請(qǐng)求，要求它停止執(zhí)行某個(gè)操作。通常情況下，當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用了另一個(gè)線程的interrupt()方法時(shí)，被中斷線程會(huì)收到一個(gè)InterruptedException異常。這個(gè)異常的出現(xiàn)并不意味著線程已經(jīng)終止，只是表示有一個(gè)中斷請(qǐng)求需要被處理。被中斷線程可以選擇如何響應(yīng)中斷請(qǐng)求，可以繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，也可以立即停止執(zhí)行。
線程中斷的基本原理涉及到兩個(gè)重要的概念：中斷標(biāo)志位和中斷異常。每個(gè)線程對(duì)象都有一個(gè)中斷標(biāo)志位，用于表示當(dāng)前線程是否被中斷。當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用了另一個(gè)線程的interrupt()方法時(shí)，實(shí)際上是將被中斷線程的中斷標(biāo)志位設(shè)置為true。被中斷線程在執(zhí)行某些操作時(shí)，會(huì)檢查自身的中斷標(biāo)志位，如果該標(biāo)志位被設(shè)置為true，那么線程就應(yīng)該停止執(zhí)行。
但是，線程不會(huì)在任意時(shí)間停止執(zhí)行。如果線程正在等待某個(gè)條件，或者正在執(zhí)行一個(gè)IO操作，那么它將繼續(xù)等待或者執(zhí)行IO操作，直到該操作完成或者等待超時(shí)。這時(shí)，線程并不會(huì)立即響應(yīng)中斷請(qǐng)求，而是會(huì)拋出一個(gè)InterruptedException異常，并清除中斷標(biāo)志位，以便其他線程可以再次發(fā)起中斷請(qǐng)求。
2、如何使用線程中斷
線程中斷是Java中線程控制的重要手段之一，可以用來(lái)協(xié)調(diào)多個(gè)線程之間的工作。以下是Java中線程中斷的常見(jiàn)用法：
（1）中斷線程
中斷線程是最常見(jiàn)的線程中斷用法之一，它允許一個(gè)線程在另一個(gè)線程運(yùn)行時(shí)發(fā)出信號(hào)，告訴該線程停止正在執(zhí)行的操作。Java中提供了兩種方式中斷線程：
- 調(diào)用Thread.interrupt()方法：該方法會(huì)將當(dāng)前線程的中斷標(biāo)記設(shè)置為true，表示該線程已經(jīng)被中斷。
- 調(diào)用Thread.currentThread().isInterrupted()方法：該方法會(huì)返回當(dāng)前線程的中斷標(biāo)記，用于判斷當(dāng)前線程是否被中斷。
下面是一個(gè)示例代碼，演示如何中斷線程：
class MyThread extends Thread {
public void run() {
while (!isInterrupted()) { // 檢查中斷標(biāo)記
// 執(zhí)行一些操作...
}
System.out.println("Thread interrupted");
}
}
public class Main {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyThread thread = new MyThread();
thread.start();
Thread.sleep(1000); // 等待1秒鐘
thread.interrupt(); // 中斷線程
thread.join(); // 等待線程執(zhí)行完畢
}
}在上面的示例代碼中，我們創(chuàng)建了一個(gè)MyThread線程，并啟動(dòng)它。然后，等待該線程執(zhí)行1秒鐘后中斷它。被中斷線程會(huì)檢查自身的中斷標(biāo)記，如果該標(biāo)記被設(shè)置為true，那么線程就停止執(zhí)行。
（2）中斷阻塞的線程
當(dāng)一個(gè)線程正在執(zhí)行阻塞(Blocking)操作時(shí)（如等待I/O完成、等待獲取鎖、等待條件變量滿足等），線程可能會(huì)陷入無(wú)限期的等待狀態(tài)，這時(shí)中斷請(qǐng)求就無(wú)法被及時(shí)處理。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Java提供了一些方法來(lái)中斷阻塞的線程：
- 調(diào)用Thread.interrupt()方法：該方法會(huì)將當(dāng)前線程的中斷標(biāo)記設(shè)置為true，同時(shí)中斷正在等待的操作。
- 調(diào)用java.util.concurrent.Future.cancel(boolean mayInterruptIfRunning)方法：該方法會(huì)嘗試取消正在執(zhí)行的任務(wù)，并中斷阻塞的線程。
下面是一個(gè)示例代碼，演示如何中斷阻塞的線程：
class MyThread extends Thread {
public void run() {
while (!isInterrupted()) {
try {
Thread.sleep(1000); // 等待1秒鐘
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("Thread interrupted");
interrupt(); // 重新設(shè)置中斷標(biāo)記
}
}
System.out.println("Thread exit");
}
}
public class Main {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyThread thread = new MyThread();
thread.start();
Thread.sleep(3000); // 等待3秒鐘
thread.interrupt(); // 中斷線程
thread.join(); // 等待線程執(zhí)行完畢
}
}在上面的示例代碼中，我們創(chuàng)建了一個(gè)MyThread線程，并啟動(dòng)它。然后，等待該線程執(zhí)行3秒鐘后中斷它。被中斷線程在執(zhí)行sleep()方法時(shí)，由于是阻塞操作，會(huì)拋出一個(gè)InterruptedException異常，并重新設(shè)置中斷標(biāo)記。
（3）處理線程中斷
當(dāng)一個(gè)線程被中斷時(shí)，它需要決定如何響應(yīng)中斷請(qǐng)求。Java提供了兩種方式處理線程中斷：
- 檢查中斷標(biāo)記：如果線程檢測(cè)到自身的中斷標(biāo)記被設(shè)置為true，那么它應(yīng)該停止正在執(zhí)行的操作并退出。
- 拋出InterruptedException異常：當(dāng)線程執(zhí)行某些阻塞操作時(shí)，可能會(huì)拋出一個(gè)InterruptedException異常，表示線程被中斷。此時(shí)，線程的中斷標(biāo)記會(huì)被清除，以便其他線程可以再次發(fā)起中斷請(qǐng)求。
下面是一個(gè)示例代碼，演示如何處理線程中斷：
class MyThread extends Thread {
public void run() {
try {
while (!isInterrupted()) { // 檢查中斷標(biāo)記
System.out.println("Thread running...");
Thread.sleep(1000); // 等待1秒鐘
}
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("Thread interrupted"); // 拋出InterruptedException異常
}
System.out.println("Thread exit");
}
}
public class Main {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyThread thread = new MyThread();
thread.start();
Thread.sleep(3000); // 等待3秒鐘
thread.interrupt(); // 中斷線程
thread.join(); // 等待線程執(zhí)行完畢
}
}在上面的示例代碼中，我們創(chuàng)建了一個(gè)MyThread線程，并啟動(dòng)它。然后，等待該線程執(zhí)行3秒鐘后中斷它。被中斷線程會(huì)檢查自身的中斷標(biāo)記，如果該標(biāo)記被設(shè)置為true，那么線程就停止執(zhí)行。
3、進(jìn)階使用技巧
除了基本的線程中斷用法外，Java還提供了一些進(jìn)階使用技巧，幫助開(kāi)發(fā)人員更好地掌握線程中斷機(jī)制：
（1）使用volatile關(guān)鍵字保證可見(jiàn)性
當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用另一個(gè)線程的interrupt()方法時(shí)，實(shí)際上是將被中斷線程的中斷標(biāo)志位設(shè)置為true。但是，這個(gè)標(biāo)志位可能不會(huì)立即被被中斷線程所感知，因?yàn)镴ava內(nèi)存模型允許線程在自己的本地緩存中保存變量的值，而不及時(shí)刷新到主內(nèi)存中。為了確保被中斷線程能夠及時(shí)感知中斷請(qǐng)求，我們可以使用volatile關(guān)鍵字來(lái)修飾中斷標(biāo)志位，以保證可見(jiàn)性。
下面是一個(gè)示例代碼，演示如何使用volatile關(guān)鍵字保證中斷標(biāo)志位的可見(jiàn)性：
class MyThread extends Thread {
private volatile boolean isInterrupted = false;
public void run() {
while (!isInterrupted) { // 檢查中斷標(biāo)記
// 執(zhí)行一些操作...
}
System.out.println("Thread interrupted");
}
public void interrupt() {
isInterrupted = true; // 設(shè)置中斷標(biāo)記
super.interrupt(); // 調(diào)用父類的中斷方法
}
}
public class Main {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyThread thread = new MyThread();
thread.start();
Thread.sleep(1000); // 等待1秒鐘
thread.interrupt(); // 中斷線程
thread.join(); // 等待線程執(zhí)行完畢
}
}在上面的示例代碼中，我們將中斷標(biāo)志位設(shè)置為volatile類型，以保證其可見(jiàn)性。當(dāng)線程被中斷時(shí)，我們先更新中斷標(biāo)志位，然后調(diào)用父類的interrupt()方法，將中斷請(qǐng)求傳遞給被中斷線程。
（2）使用Executor框架管理線程池
Java中的Executor框架可以幫助我們管理線程池，使得多線程編程變得更加簡(jiǎn)單。當(dāng)使用Executor框架時(shí)，我們可以通過(guò)設(shè)置ThreadPoolExecutor的中斷策略來(lái)控制線程池中的線程如何響應(yīng)中斷請(qǐng)求。
下面是一個(gè)示例代碼，演示如何使用Executor框架管理線程池：
class MyTask implements Runnable {
public void run() {
while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) { // 檢查中斷標(biāo)記
// 執(zhí)行一些操作...
}
System.out.println("Task interrupted");
}
}
public class Main {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
executor.execute(new MyTask());
}
Thread.sleep(1000); // 等待1秒鐘
executor.shutdownNow(); // 中斷所有任務(wù)并關(guān)閉線程池
executor.awaitTermination(10, TimeUnit.SECONDS); // 等待所有任務(wù)執(zhí)行完畢
}
}在上面的示例代碼中，我們創(chuàng)建了一個(gè)包含10個(gè)線程的固定大小線程池，并提交了10個(gè)MyTask任務(wù)。然后，等待1秒鐘后中斷所有任務(wù)并關(guān)閉線程池。注意，我們?cè)谑褂胹hutdownNow()方法中斷所有任務(wù)時(shí)，ThreadPoolExecutor會(huì)調(diào)用每個(gè)任務(wù)的interrupt()方法，以傳遞中斷請(qǐng)求。
（3）使用ReentrantLock和Condition實(shí)現(xiàn)可中斷的鎖
在Java中，我們可以使用ReentrantLock和Condition來(lái)實(shí)現(xiàn)可中斷的鎖。具體來(lái)說(shuō)，我們可以使用lockInterruptibly()方法獲取鎖，使用await()方法等待條件變量滿足，并使用signal()方法通知其他線程條件已經(jīng)發(fā)生改變。
下面是一個(gè)示例代碼，演示如何使用ReentrantLock和Condition實(shí)現(xiàn)可中斷的鎖：
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
class MyThread extends Thread {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final Condition condition = lock.newCondition();
public void run() {
try {
lock.lockInterruptibly();
while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) { // 檢查中斷標(biāo)記
System.out.println("Thread running...");
condition.await(); // 等待條件變量滿足
}
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("Thread interrupted"); // 拋出InterruptedException異常
} finally {
lock.unlock();
}
System.out.println("Thread exit");
}
public void signal() {
lock.lock();
try {
condition.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
public class Main {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyThread thread = new MyThread();
thread.start();
Thread.sleep(1000); // 等待1秒鐘
thread.interrupt(); // 中斷線程
thread.join(); // 等待線程執(zhí)行完畢
}
}在上面的示例代碼中，我們創(chuàng)建了一個(gè)MyThread線程，并啟動(dòng)它。然后，等待該線程執(zhí)行1秒鐘后中斷它。被中斷線程使用lockInterruptibly()方法獲取鎖，并在等待條件變量滿足時(shí)使用condition.await()方法阻塞線程。當(dāng)線程被中斷時(shí)，我們拋出一個(gè)InterruptedException異常，并在finally塊中釋放鎖。
另外，我們還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)signal()方法，用于通知其他線程條件變量已經(jīng)發(fā)生改變。需要注意的是，在調(diào)用signal()方法時(shí)，我們必須先獲取鎖，并在操作完成后釋放鎖。
小結(jié)
線程中斷機(jī)制是Java多線程編程中的一個(gè)重要概念，可以幫助我們優(yōu)雅地終止線程并釋放資源。本文介紹了基本的線程中斷用法，包括如何中斷線程、如何處理線程中斷以及如何使用volatile關(guān)鍵字、Executor框架和ReentrantLock實(shí)現(xiàn)更加高級(jí)的用法。
