Java线程中断的本质深入理解

一、Java中断的现象
首先，看看Thread类里的几个方法：

public static boolean interrupted	测试当前线程是否已经中断。线程的中断状态 由该方法清除。换句话说，如果连续两次调用该方法，则第二次调用将返回 false（在第一次调用已清除了其中断状态之后，且第二次调用检验完中断状态前，当前线程再次中断的情况除外）。
public boolean isInterrupted()	测试线程是否已经中断。线程的中断状态 不受该方法的影响。
public void interrupt()	中断线程。

上面列出了与中断有关的几个方法及其行为，可以看到interrupt是中断线程。如果不了解Java的中断机制，这样的一种解释极容易造成误解，认为调用了线程的interrupt方法就一定会中断线程。
其实，Java的中断是一种协作机制。也就是说调用线程对象的interrupt方法并不一定就中断了正在运行的线程，它只是要求线程自己在合适的时机中断自己。每个线程都有一个boolean的中断状态（不一定就是对象的属性，事实上，该状态也确实不是Thread的字段），interrupt方法仅仅只是将该状态置为true


代码如下:

public class TestInterrupt {
public static void main(String[] args) {
Thread t = new MyThread();
t.start();
t.interrupt();
System.out.println("已调用线程的interrupt方法");
}
static class MyThread extends Thread {
public void run() {
int num = longTimeRunningNonInterruptMethod(2, 0);
System.out.println("长时间任务运行结束,num=" + num);
System.out.println("线程的中断状态:" + Thread.interrupted());
}
private static int longTimeRunningNonInterruptMethod(int count, int initNum) {
for(int i=0; i<count; i++) {
for(int j=0; j<Integer.MAX_VALUE; j++) {
initNum ++;
}
}
return initNum;
}
}
}

一般情况下，会打印如下内容：
已调用线程的interrupt方法
长时间任务运行结束,num=-2
线程的中断状态:true
可见，interrupt方法并不一定能中断线程。但是，如果改成下面的程序，情况会怎样呢？


代码如下:

import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class TestInterrupt {
public static void main(String[] args) {
Thread t = new MyThread();
t.start();
t.interrupt();
System.out.println("已调用线程的interrupt方法");
}
static class MyThread extends Thread {
public void run() {
int num = -1;
try {
num = longTimeRunningInterruptMethod(2, 0);
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("线程被中断");
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println("长时间任务运行结束,num=" + num);
System.out.println("线程的中断状态:" + Thread.interrupted());
}
private static int longTimeRunningInterruptMethod(int count, int initNum) throws InterruptedException{
for(int i=0; i<count; i++) {
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
}
return initNum;
}
}
}

经运行可以发现，程序抛出异常停止了，run方法里的后两条打印语句没有执行。那么，区别在哪里？
一般说来，如果一个方法声明抛出InterruptedException，表示该方法是可中断的（没有在方法中处理中断却也声明抛出InterruptedException的除外），也就是说可中断方法会对interrupt调用做出响应（例如sleep响应interrupt的操作包括清除中断状态，抛出InterruptedException），如果interrupt调用是在可中断方法之前调用，可中断方法一定会处理中断，像上面的例子，interrupt方法极可能在run未进入sleep的时候就调用了，但sleep检测到中断，就会处理该中断。如果在可中断方法正在执行中的时候调用interrupt，会怎么样呢？这就要看可中断方法处理中断的时机了，只要可中断方法能检测到中断状态为true，就应该处理中断。让我们为开头的那段代码加上中断处理。
那么自定义的可中断方法该如何处理中断呢？那就是在适合处理中断的地方检测线程中断状态并处理。


代码如下:

public class TestInterrupt {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Thread t = new MyThread();
t.start();
// TimeUnit.SECONDS.sleep(1);//如果不能看到处理过程中被中断的情形，可以启用这句再看看效果
t.interrupt();
System.out.println("已调用线程的interrupt方法");
}
static class MyThread extends Thread {
public void run() {
int num;
try {
num = longTimeRunningNonInterruptMethod(2, 0);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
System.out.println("长时间任务运行结束,num=" + num);
System.out.println("线程的中断状态:" + Thread.interrupted());
}
private static int longTimeRunningNonInterruptMethod(int count, int initNum) throws InterruptedException {
if(interrupted()) {
throw new InterruptedException("正式处理前线程已经被请求中断");
}
for(int i=0; i<count; i++) {
for(int j=0; j<Integer.MAX_VALUE; j++) {
initNum ++;
}
//假如这就是一个合适的地方
if(interrupted()) {
//回滚数据，清理操作等
throw new InterruptedException("线程正在处理过程中被中断");
}
}
return initNum;
}
}
}

如上面的代码，方法longTimeRunningMethod此时已是一个可中断的方法了。在进入方法的时候判断是否被请求中断，如果是，就不进行相应的处理了；处理过程中，可能也有合适的地方处理中断，例如上面最内层循环结束后。
这段代码中检测中断用了Thread的静态方法interrupted，它将中断状态置为false，并将之前的状态返回，而isInterrupted只是检测中断，并不改变中断状态。一般来说，处理过了中断请求，应该将其状态置为false。但具体还要看实际情形。

二、Java中断的本质
在历史上，Java试图提供过抢占式限制中断，但问题多多，例如已被废弃的Thread.stop、Thread.suspend和 Thread.resume等。另一方面，出于Java应用代码的健壮性的考虑，降低了编程门槛，减少不清楚底层机制的程序员无意破坏系统的概率。
如今，Java的线程调度不提供抢占式中断，而采用协作式的中断。其实，协作式的中断，原理很简单，就是轮询某个表示中断的标记，我们在任何普通代码的中都可以实现。 例如下面的代码：


代码如下:

volatile bool isInterrupted;
//…
while(!isInterrupted) {
compute();
}

但是，上述的代码问题也很明显。当compute执行时间比较长时，中断无法及时被响应。另一方面，利用轮询检查标志变量的方式，想要中断wait和sleep等线程阻塞操作也束手无策。
如果仍然利用上面的思路，要想让中断及时被响应，必须在虚拟机底层进行线程调度的对标记变量进行检查。是的，JVM中确实是这样做的。下面摘自java.lang.Thread的源代码：


代码如下:

public static boolean interrupted() {
return currentThread().isInterrupted(true);
}
//…
private native boolean isInterrupted(boolean ClearInterrupted);

可以发现，isInterrupted被声明为native方法，取决于JVM底层的实现。
实际上，JVM内部确实为每个线程维护了一个中断标记。但应用程序不能直接访问这个中断变量，必须通过下面几个方法进行操作：


代码如下:

public class Thread {
//设置中断标记
public void interrupt() { ... }
//获取中断标记的值
public boolean isInterrupted() { ... }
//清除中断标记，并返回上一次中断标记的值
public static boolean interrupted() { ... }
...
}

通常情况下，调用线程的interrupt方法，并不能立即引发中断，只是设置了JVM内部的中断标记。因此，通过检查中断标记，应用程序可以做一些特殊操作，也可以完全忽略中断。

你可能想，如果JVM只提供了这种简陋的中断机制，那和应用程序自己定义中断变量并轮询的方法相比，基本也没有什么优势。

JVM内部中断变量的主要优势，就是对于某些情况，提供了模拟自动“中断陷入”的机制。
在执行涉及线程调度的阻塞调用时（例如wait、sleep和join），如果发生中断，被阻塞线程会“尽可能快的”抛出InterruptedException。因此，我们就可以用下面的代码框架来处理线程阻塞中断：


代码如下:

try {
//wait、sleep或join
}
catch(InterruptedException e) {
//某些中断处理工作
}

所谓“尽可能快”，我猜测JVM就是在线程调度调度的间隙检查中断变量，速度取决于JVM的实现和硬件的性能。

三、一些不会抛出 InterruptedException 的线程阻塞操作
然而，对于某些线程阻塞操作，JVM并不会自动抛出InterruptedException异常。例如，某些I/O操作和内部锁操作。对于这类操作，可以用其他方式模拟中断：
1）java.io中的异步socket I/O
读写socket的时候，InputStream和OutputStream的read和write方法会阻塞等待，但不会响应java中断。不过，调用Socket的close方法后，被阻塞线程会抛出SocketException异常。
2）利用Selector实现的异步I/O
如果线程被阻塞于Selector.select（在java.nio.channels中），调用wakeup方法会引起ClosedSelectorException异常。
3）锁获取
如果线程在等待获取一个内部锁，我们将无法中断它。但是，利用Lock类的lockInterruptibly方法，我们可以在等待锁的同时，提供中断能力。

四、两条编程原则
另外，在任务与线程分离的框架中，任务通常并不知道自身会被哪个线程调用，也就不知道调用线程处理中断的策略。所以，在任务设置了线程中断标记后，并不能确保任务会被取消。因此，有以下两条编程原则：
1）除非你知道线程的中断策略，否则不应该中断它。
这条原则告诉我们，不应该直接调用Executer之类框架中线程的interrupt方法，应该利用诸如Future.cancel的方法来取消任务。

2）任务代码不该猜测中断对执行线程的含义。
这条原则告诉我们，一般代码遇在到InterruptedException异常时，不应该将其捕获后“吞掉”，而应该继续向上层代码抛出。
总之，Java中的非抢占式中断机制，要求我们必须改变传统的抢占式中断思路，在理解其本质的基础上，采用相应的原则和模式来编程。