Java并发框架——AQS中断的支持

线程的定义给我们提供了并发执行多个任务的方式,大多数情况下我们会让每个任务都自行执行结束,这样能保证事务的一致性,但是有时我们希望在任务执行中取消任务,使线程停止。在java中要让线程安全、快速、可靠地停下来并不是一件容易的事,java也没有提供任何可靠的方法终止线程的执行。回到第六小节,线程调度策略中有抢占式和协作式两个概念,与之类似的是中断机制也有协作式和抢占式。

历史上Java曾经使用stop()方法终止线程的运行,他们属于抢占式中断。但它引来了很多问题,早已被JDK弃用。调用stop()方法则意味着①将释放该线程所持的所有锁,而且锁的释放不可控。②即刻将抛出ThreadDeath异常,不管程序运行到哪里,但它不总是有效,如果存在被终止线程的锁竞争;第一点将导致数据一致性问题,这个很好理解,一般数据加锁就是为了保护数据的一致性,而线程停止伴随所持锁的释放,很可能导致被保护的数据呈现不一致性,最终导致程序运算出现错误。第二点比较模糊,它要说明的问题就是可能存在某种情况stop()方法不能及时终止线程,甚至可能终止不了线程。看如下代码会发生什么情况,看起来线程mt因为执行了stop()方法将停止,按理来说就算execut方法是一个死循环,只要执行了stop()方法线程将结束,无限循环也将结束。其实不然,因为我们在execute方法使用了synchronized修饰,同步方法表示在执行execute时将对mt对象进行加锁,另外,Thread的stop()方法也是同步的,于是在调用mt线程的stop()方法前必须获取mt对象锁,但mt对象锁被execute方法占用,且不释放,于是stop()方法永远获取不了mt对象锁,最后得到一个结论,使用stop()方法停止线程不可靠,它未必总能有效终止线程。

 

public class ThreadStop {

public static voidmain(String[] args) {

           Thread mt= new MyThread();

           mt.start();

           try {

                    Thread.currentThread().sleep(100);

           } catch(InterruptedException e) {

                    e.printStackTrace();

           }

           mt.stop();

}

 

static classMyThread extends Thread {

           publicvoid run() {

                    execute();

           }

           privatesynchronized void execute() {

                    while(true) {

                    }

           }

}

}

 

经历了很长时间的发展,Java最终选择用一种协作式的中断机制实现中断。协作式中断的原理很简单,其核心是先对中断标识进行标记,某线程设置某线程的中断标识位,被标记了中断位的线程在适当的时间节点会抛出异常,捕获异常后做相应的处理。实现协作中断有三个要点需要考虑:①是在Java层面实现轮询中断标识还是在JVM中实现;②轮询的颗粒度的控制,一般颗粒度要尽量小周期尽量短以保证响应的及时性;③轮询的时间节点的选择,其实就是在哪些方法里面轮询,例如JVM将Thread类的wait()、sleep()、join()等方法都实现中断标识的轮询操作。

中断标识放在哪里?中断是针对线程实例而言,从Java层面上看,标识变量放到线程中肯定再合适不过了,但由于由JVM维护,所以中断标识具体由本地方法维护。在Java层面仅仅留下几个API用于操作中断标识,如下,

public class Thread{

    public voidinterrupt() {……}

    public BooleanisInterrupted() {……}

    public static Booleaninterrupted() {……}

}

上面三个方法依次用于设置线程为中断状态、判断线程状态是否中断、清除当前线程中断状态并返回它之前的值。通过interrupt()方法设置中断标识,假如在非阻塞线程则仅仅只是改变了中断状态,线程将继续往下运行,但假如在可取消阻塞线程中,如正在执行sleep()、wait()、join()等方法的线程则会因为被设置了中断状态而抛出InterruptedException异常,程序对此异常捕获处理。

上面提到的三个要点,第一是轮询在哪个层面实现,这个没有特别的要求,在实际中只要不出现逻辑问题,在Java层面或JVM层面实现都是可以的,例如常用的线程睡眠、等待等操作是通过JVM实现,而AQS框架里面的中断则放到Java实现,不管在哪个层面上去实现,在轮询过程中都一定要能保证不会产生阻塞。第二是要保证轮询的颗粒度尽可能的小周期尽可能短,这关系到中断响应的速度。第三点是关于轮询的时间节点的选取。

针对三要点来看看AQS框架中是如何支持中断的,主要在等待获取锁的过程中提供中断操作,下面是伪代码。只需增加加红加粗部分逻辑即可实现中断支持,在循环体中每次循环都对当前线程中断标识位进行判断,一旦检查到线程被标记为中断则抛出InterruptedException异常,高层代码对此异常捕获处理即完成中断处理。总结起来就是ASQ框架获取锁的中断机制是在Java层面实现的,轮询时间节点选择在不断做尝试获取锁操作过程中,每个循环的颗粒度比较小,响应速度得以保证,且循环过程不存在阻塞风险,保证中断检测不会失效。

if(尝试获取锁失败) {

    创建node

    使用CAS方式把node插入到队列尾部

    while(true){

    if(尝试获取锁成功并且 node的前驱节点为头节点){

把当前节点设置为头节点

    跳出循环

}else{

    使用CAS方式修改node前驱节点的waitStatus标识为signal

    if(修改成功){

        挂起当前线程

        if(当前线程中断位标识为true)

           抛出InterruptedException异常

}

}

}

 

判断线程是否处于中断状态其实很简单,只需使用Thread.interrupted()操作,如果为true则说明线程处于中断位,并清除中断位。至此AQS实现了支持中断的获取锁操作。

此节从java发展过程分析了抢占式中断及协作式中断,由于抢占式存在一些缺陷现在已不推荐使用,而协作式中断作为推荐做法,尽管在响应时间较长,但其具有无可比拟的优势。协作式中断我们可以在JVM层面实现,同样也可以在Java层面实现,例如AQS框架的中断即是在Java层面实现,不过如果继续深究是因为Java留了几个API供我们操作线程的中断标识位,这才使Java层面实现中断操作得以实现。对于java的协作式中断机制有人肯定有人批评,批评者说java没有抢占式中断机制,且协作式中断机制迫使开发者必须维护中断状态,迫使开发者必须处理InterruptedException。但肯定者则认为,虽然协作式中断机制推迟了中断请求的处理,但它为开发人员提供更灵活的中断处理策略,响应性可能不及抢占式,但程序健壮性更强。

点击订购作者书籍《Tomcat内核设计剖析》

时间: 2024-10-30 21:57:47

Java并发框架——AQS中断的支持的相关文章

Java并发框架——AQS超时机制

AQS框架提供的另外一个优秀机制是锁获取超时的支持,当大量线程对某一锁竞争时可能导致某些线程在很长一段时间都获取不了锁,在某些场景下可能希望如果线程在一段时间内不能成功获取锁就取消对该锁的等待以提高性能,这时就需要用到超时机制.在JDK1.5之前还没有juc工具,当时的并发控制职能通过JVM内置的synchronized关键词实现锁,但对一些特殊要求却力不从心,例如超时取消控制.JDK1.5开始引入juc工具完美解决了此问题,而这正得益于并发基础框架AQS提供了超时的支持.为了更精确地保证时间间

Java并发框架——AQS阻塞队列管理(三)——CLH锁改造

在CLH锁核心思想的影响下,Java并发包的基础框架AQS以CLH锁作为基础而设计,其中主要是考虑到CLH锁更容易实现取消与超时功能.比起原来的CLH锁已经做了很大的改造,主要从两方面进行了改造:节点的结构与节点等待机制.在结构上引入了头结点和尾节点,他们分别指向队列的头和尾,尝试获取锁.入队列.释放锁等实现都与头尾节点相关,并且每个节点都引入前驱节点和后后续节点的引用:在等待机制上由原来的自旋改成阻塞唤醒.如图2-5-9-4,通过前驱后续节点的引用一节节连接起来形成一个链表队列,对于头尾节点的

Java并发框架——AQS之原子性如何保证?

在研究AQS框架时,会发现这个类很多地方都使用了CAS操作,在并发实现中CAS操作必须具备原子性,而且是硬件级别的原子性,java被隔离在硬件之上,明显力不从心,这时为了能直接操作操作系统层面,肯定要通过用C++编写的native本地方法来扩展实现.JDK提供了一个类来满足CAS的要求,sun.misc.Unsafe,从名字上可以大概知道它用于执行低级别.不安全的操作,AQS就是使用此类完成硬件级别的原子操作. Unsafe是一个很强大的类,它可以分配内存.释放内存.可以定位对象某字段的位置.可

Java并发框架——AQS之如何使用AQS构建同步器

AQS的设计思想是通过继承的方式提供一个模板让大家可以很容易根据不同场景实现一个富有个性化的同步器.同步器的核心是要管理一个共享状态,通过对状态的控制即可以实现不同的锁机制.AQS的设计必须考虑把复杂重复且容易出错的队列管理工作统一抽象出来管理,并且要统一控制好流程,而暴露给子类调用的方法主要就是操作共享状态的方法,以此提供对状态的原子性操作.一般子类的同步器中使用AQS提供的getState.setState.compareAndSetState三个方法,前两个为普通的get和set方法,要使

Java并发框架——AQS阻塞队列管理(一)——自旋锁

我们知道一个线程在尝试获取锁失败后将被阻塞并加入等待队列中,它是一个怎样的队列?又是如何管理此队列?这节聊聊CHL Node FIFO队列. 在谈到CHL Node FIFO队列之前,我们先分析这种队列的几个要素.首先要了解的是自旋锁,所谓自旋锁即是某一线程去尝试获取某个锁时,如果该锁已经被其他线程占用的话,此线程将不断循环检查该锁是否被释放,而不是让此线程挂起或睡眠.它属于为了保证共享资源而提出的一种锁机制,与互斥锁类似,保证了公共资源在任意时刻最多只能由一条线程获取使用,不同的是互斥锁在获取

Java并发框架——AQS阻塞队列管理(二)——自旋锁优化

看Craig, Landin, and Hagersten发明的CLH锁如何优化同步带来的花销,其核心思想是:通过一定手段将所有线程对某一共享变量轮询竞争转化为一个线程队列且队列中的线程各自轮询自己的本地变量.这个转化过程由两个要点,一是构建怎样的队列&如何构建队列,为了保证公平性,构建的将是一个FIFO队列,构建的时候主要通过移动尾部节点tail实现队列的排队,每个想获取锁的线程创建一个新节点并通过CAS原子操作将新节点赋予tail,然后让当前线程轮询前一节点的某个状态位,如图2-5-9-3,

书籍中的一个小样章-Java并发编程AQS原理浅析

AQS的全称为(AbstractQueuedSynchronizer),这个类也是在java.util.concurrent.locks下面.这个类似乎很不容易看懂,因为它仅仅是提供了一系列公共的方法,让子类来调用.那么要理解意思,就得从子类下手,反过来看才容易看懂.如下图所示: 图 5-15 AQS的子类实现 这么多类,我们看那一个?刚刚提到过锁(Lock),我们就从锁开始吧.这里就先以ReentrantLock排它锁为例开始展开讲解如何利用AQS的,然后再简单介绍读写锁的要点(读写锁本身的实

Java并发框架——什么是AQS框架

什么是AQS框架 1995年sun公司发布了第一个java语言版本,可以说从jdk1.1到jdk1.4期间java的使用主要是在移动应用和中小型企业应用中,在此类领域中基本不用设计大型并发场景,当然也没有大型互联网公司使用java,因为担心它本身的性能.在互联网及服务器硬件迅猛的发展下,sun公司更加注重企业级应用方面,毫无疑问高并发是一个重要的主题,于是在J2SE5.0(jdk1.5)代号为老虎的版本中增加了更加强大的并发相关的操作包--java.util.concurrent.此后java在

Java并发框架——同步状态的管理

整个AQS框架核心功能都是围绕着其32位整型属性state进行,一般可以说它表示锁的数量,对同步状态的控制可以实现不同的同步工具,例如闭锁.信号量.栅栏等等.为了保证可见性此变量被声明为volatile,保证每次的原子更新都将及时反映到每条线程上.而对于同步状态的管理可以大体分为两块,一是独占模式的管理,另外是共享模式的管理.通过对这两种模式的灵活变换可以实现多种不同的同步器,如下图,对state的控制可以看成一个管道,管道的大小决定了同时通过的线程,独占模式好比宽度只容许一个线程通过的管道,在