Java多線程編程中，如何優雅地終止線程？
Java線程中斷（Interrupt）是Java語言的一個重要特性，它允許一個線程在另一個線程運行時發出信號，告訴該線程停止正在執行的操作。本篇博客將深入探討Java線程中斷的相關知識點，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
線程中斷是一種協作式的機制，由一個線程向另一個線程發出請求，要求它停止執行某個操作。通常情況下，當一個線程調用了另一個線程的interrupt()方法時，被中斷線程會收到一個InterruptedException異常。這個異常的出現并不意味著線程已經終止，只是表示有一個中斷請求需要被處理。被中斷線程可以選擇如何響應中斷請求，可以繼續執行任務，也可以立即停止執行。
線程中斷的基本原理涉及到兩個重要的概念：中斷標志位和中斷異常。每個線程對象都有一個中斷標志位，用于表示當前線程是否被中斷。當一個線程調用了另一個線程的interrupt()方法時，實際上是將被中斷線程的中斷標志位設置為true。被中斷線程在執行某些操作時，會檢查自身的中斷標志位，如果該標志位被設置為true，那么線程就應該停止執行。
但是，線程不會在任意時間停止執行。如果線程正在等待某個條件，或者正在執行一個IO操作，那么它將繼續等待或者執行IO操作，直到該操作完成或者等待超時。這時，線程并不會立即響應中斷請求，而是會拋出一個InterruptedException異常，并清除中斷標志位，以便其他線程可以再次發起中斷請求。
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，可以用來協調多個線程之間的工作。以下是Java中線程中斷的常見用法：
（1）中斷線程
中斷線程是最常見的線程中斷用法之一，它允許一個線程在另一個線程運行時發出信號，告訴該線程停止正在執行的操作。Java中提供了兩種方式中斷線程：
- 調用Thread.interrupt()方法：該方法會將當前線程的中斷標記設置為true，表示該線程已經被中斷。
- 調用Thread.currentThread().isInterrupted()方法：該方法會返回當前線程的中斷標記，用于判斷當前線程是否被中斷。
下面是一個示例代碼，演示如何中斷線程：
class MyThread extends Thread {
public void run() {
while (!isInterrupted()) { // 檢查中斷標記
// 執行一些操作...
}
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(); // 等待線程執行完畢
}
}在上面的示例代碼中，我們創建了一個MyThread線程，并啟動它。然后，等待該線程執行1秒鐘后中斷它。被中斷線程會檢查自身的中斷標記，如果該標記被設置為true，那么線程就停止執行。
（2）中斷阻塞的線程
當一個線程正在執行阻塞(Blocking)操作時（如等待I/O完成、等待獲取鎖、等待條件變量滿足等），線程可能會陷入無限期的等待狀態，這時中斷請求就無法被及時處理。為了解決這個問題，Java提供了一些方法來中斷阻塞的線程：
- 調用Thread.interrupt()方法：該方法會將當前線程的中斷標記設置為true，同時中斷正在等待的操作。
- 調用java.util.concurrent.Future.cancel(boolean mayInterruptIfRunning)方法：該方法會嘗試取消正在執行的任務，并中斷阻塞的線程。
下面是一個示例代碼，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(); // 重新設置中斷標記
}
}
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(); // 等待線程執行完畢
}
}在上面的示例代碼中，我們創建了一個MyThread線程，并啟動它。然后，等待該線程執行3秒鐘后中斷它。被中斷線程在執行sleep()方法時，由于是阻塞操作，會拋出一個InterruptedException異常，并重新設置中斷標記。
（3）處理線程中斷
當一個線程被中斷時，它需要決定如何響應中斷請求。Java提供了兩種方式處理線程中斷：
- 檢查中斷標記：如果線程檢測到自身的中斷標記被設置為true，那么它應該停止正在執行的操作并退出。
- 拋出InterruptedException異常：當線程執行某些阻塞操作時，可能會拋出一個InterruptedException異常，表示線程被中斷。此時，線程的中斷標記會被清除，以便其他線程可以再次發起中斷請求。
下面是一個示例代碼，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(); // 等待線程執行完畢
}
}在上面的示例代碼中，我們創建了一個MyThread線程，并啟動它。然后，等待該線程執行3秒鐘后中斷它。被中斷線程會檢查自身的中斷標記，如果該標記被設置為true，那么線程就停止執行。
3、進階使用技巧
除了基本的線程中斷用法外，Java還提供了一些進階使用技巧，幫助開發人員更好地掌握線程中斷機制：
（1）使用volatile關鍵字保證可見性
當一個線程調用另一個線程的interrupt()方法時，實際上是將被中斷線程的中斷標志位設置為true。但是，這個標志位可能不會立即被被中斷線程所感知，因為Java內存模型允許線程在自己的本地緩存中保存變量的值，而不及時刷新到主內存中。為了確保被中斷線程能夠及時感知中斷請求，我們可以使用volatile關鍵字來修飾中斷標志位，以保證可見性。
下面是一個示例代碼，演示如何使用volatile關鍵字保證中斷標志位的可見性：
class MyThread extends Thread {
private volatile boolean isInterrupted = false;
public void run() {
while (!isInterrupted) { // 檢查中斷標記
// 執行一些操作...
}
System.out.println("Thread interrupted");
}
public void interrupt() {
isInterrupted = true; // 設置中斷標記
super.interrupt(); // 調用父類的中斷方法
}
}
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(); // 等待線程執行完畢
}
}在上面的示例代碼中，我們將中斷標志位設置為volatile類型，以保證其可見性。當線程被中斷時，我們先更新中斷標志位，然后調用父類的interrupt()方法，將中斷請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單。當使用Executor框架時，我們可以通過設置ThreadPoolExecutor的中斷策略來控制線程池中的線程如何響應中斷請求。
下面是一個示例代碼，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()) { // 檢查中斷標記
// 執行一些操作...
}
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(); // 中斷所有任務并關閉線程池
executor.awaitTermination(10, TimeUnit.SECONDS); // 等待所有任務執行完畢
}
}在上面的示例代碼中，我們創建了一個包含10個線程的固定大小線程池，并提交了10個MyTask任務。然后，等待1秒鐘后中斷所有任務并關閉線程池。注意，我們在使用shutdownNow()方法中斷所有任務時，ThreadPoolExecutor會調用每個任務的interrupt()方法，以傳遞中斷請求。
（3）使用ReentrantLock和Condition實現可中斷的鎖
在Java中，我們可以使用ReentrantLock和Condition來實現可中斷的鎖。具體來說，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發生改變。
下面是一個示例代碼，演示如何使用ReentrantLock和Condition實現可中斷的鎖：
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(); // 等待線程執行完畢
}
}在上面的示例代碼中，我們創建了一個MyThread線程，并啟動它。然后，等待該線程執行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使用condition.await()方法阻塞線程。當線程被中斷時，我們拋出一個InterruptedException異常，并在finally塊中釋放鎖。
另外，我們還實現了一個signal()方法，用于通知其他線程條件變量已經發生改變。需要注意的是，在調用signal()方法時，我們必須先獲取鎖，并在操作完成后釋放鎖。
小結
線程中斷機制是Java多線程編程中的一個重要概念，可以幫助我們優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關鍵字、Executor框架和ReentrantLock實現更加高級的用法。
