Java 理論與實踐: 處理 InterruptedException

捉到它，然後怎麼處理它？

很多 Java™ 語言方法，例如 Thread.sleep() 和 Object.wait()，都可以拋出 InterruptedException。您不能忽略這個異常，因為它是一個檢查異常（checked exception）。但是應該如何處理它呢？在本文的 Java 理論與實踐中，並發專家 Brian Goetz 將解釋 InterruptedException 的含義，為什麼會拋出 InterruptedException，以及在捕捉到該異常時應該怎麼做。

這樣的情景您也許並不陌生：您在編寫一個測試程序，程序需要暫停一段時間，於是調用 Thread.sleep()。但是編譯器或 IDE 報錯說沒有處理檢查到的 InterruptedException。InterruptedException 是什麼呢，為什麼必須處理它？

對於 InterruptedException，一種常見的處理方式是 “生吞（swallow）” 它 —— 捕捉它，然後什麼也不做（或者記錄下它，不過這也好不到哪去）—— 就像後面的 清單 4 一樣。不幸的是，這種方法忽略了這樣一個事實：這期間可能發生中斷，而中斷可能導致應用程序喪失及時取消活動或關閉的能力。

阻塞方法

當一個方法拋出 InterruptedException 時，它不僅告訴您它可以拋出一個特定的檢查異常，而且還告訴您其他一些事情。例如，它告訴您它是一個阻塞（blocking）方法，如果您響應得當的話，它將嘗試消除阻塞並盡早返回。

阻塞方法不同於一般的要運行較長時間的方法。一般方法的完成只取決於它所要做的事情，以及是否有足夠多可用的計算資源（CPU 周期和內存）。而阻塞方法的完成還取決於一些外部的事件，例如計時器到期，I/O 完成，或者另一個線程的動作（釋放一個鎖，設置一個標志，或者將一個任務放在一個工作隊列中）。一般方法在它們的工作做完後即可結束，而阻塞方法較難於預測，因為它們取決於外部事件。阻塞方法可能影響響應能力，因為難於預測它們何時會結束。

阻塞方法可能因為等不到所等的事件而無法終止，因此令阻塞方法可取消 就非常有用（如果長時間運行的非阻塞方法是可取消的，那麼通常也非常有用）。可取消操作是指能從外部使之在正常完成之前終止的操作。由 Thread 提供並受 Thread.sleep() 和 Object.wait() 支持的中斷機制就是一種取消機制；它允許一個線程請求另一個線程停止它正在做的事情。當一個方法拋出 InterruptedException 時，它是在告訴您，如果執行該方法的線程被中斷，它將嘗試停止它正在做的事情而提前返回，並通過拋出 InterruptedException 表明它提前返回。 行為良好的阻塞庫方法應該能對中斷作出響應並拋出 InterruptedException，以便能夠用於可取消活動中，而不至於影響響應。

線程中斷

每個線程都有一個與之相關聯的 Boolean 屬性，用於表示線程的中斷狀態（interrupted status）。中斷狀態初始時為 false；當另一個線程通過調用 Thread.interrupt() 中斷一個線程時，會出現以下兩種情況之一。如果那個線程在執行一個低級可中斷阻塞方法，例如 Thread.sleep()、 Thread.join() 或 Object.wait()，那麼它將取消阻塞並拋出 InterruptedException。否則， interrupt() 只是設置線程的中斷狀態。 在被中斷線程中運行的代碼以後可以輪詢中斷狀態，看看它是否被請求停止正在做的事情。中斷狀態可以通過 Thread.isInterrupted() 來讀取，並且可以通過一個名為 Thread.interrupted() 的操作讀取和清除。

中斷是一種協作機制。當一個線程中斷另一個線程時，被中斷的線程不一定要立即停止正在做的事情。相反，中斷是禮貌地請求另一個線程在它願意並且方便的時候停止它正在做的事情。有些方法，例如 Thread.sleep()，很認真地對待這樣的請求，但每個方法不是一定要對中斷作出響應。對於中斷請求，不阻塞但是仍然要花較長時間執行的方法可以輪詢中斷狀態，並在被中斷的時候提前返回。 您可以隨意忽略中斷請求，但是這樣做的話會影響響應。

中斷的協作特性所帶來的一個好處是，它為安全地構造可取消活動提供更大的靈活性。我們很少希望一個活動立即停止；如果活動在正在進行更新的時候被取消，那麼程序數據結構可能處於不一致狀態。中斷允許一個可取消活動來清理正在進行的工作，恢復不變量，通知其他活動它要被取消，然後才終止。

處理 InterruptedException

如果拋出 InterruptedException 意味著一個方法是阻塞方法，那麼調用一個阻塞方法則意味著您的方法也是一個阻塞方法，而且您應該有某種策略來處理 InterruptedException。通常最容易的策略是自己拋出 InterruptedException，如清單 1 中 putTask() 和 getTask() 方法中的代碼所示。 這樣做可以使方法對中斷作出響應，並且只需將 InterruptedException 添加到 throws 子句。

清單 1. 不捕捉 InterruptedException，將它傳播給調用者

public class TaskQueue {
    private static final int MAX_TASKS = 1000;

    private BlockingQueue<Task> queue 
        = new LinkedBlockingQueue<Task>(MAX_TASKS);

    public void putTask(Task r) throws InterruptedException { 
        queue.put(r);
    }

    public Task getTask() throws InterruptedException { 
        return queue.take();
    }
}

有時候需要在傳播異常之前進行一些清理工作。在這種情況下，可以捕捉 InterruptedException，執行清理，然後拋出異常。清單 2 演示了這種技術，該代碼是用於匹配在線游戲服務中的玩家的一種機制。 matchPlayers() 方法等待兩個玩家到來，然後開始一個新游戲。如果在一個玩家已到來，但是另一個玩家仍未到來之際該方法被中斷，那麼它會將那個玩家放回隊列中，然後重新拋出 InterruptedException，這樣那個玩家對游戲的請求就不至於丟失。

清單 2. 在重新拋出 InterruptedException 之前執行特定於任務的清理工作

public class PlayerMatcher {
    private PlayerSource players;

    public PlayerMatcher(PlayerSource players) { 
        this.players = players; 
    }

    public void matchPlayers() throws InterruptedException { 
        try {
             Player playerOne, playerTwo;
             while (true) {
                 playerOne = playerTwo = null;
                 // Wait for two players to arrive and start a new game
                 playerOne = players.waitForPlayer(); // could throw IE
                 playerTwo = players.waitForPlayer(); // could throw IE
                 startNewGame(playerOne, playerTwo);
             }
         }
         catch (InterruptedException e) {  
             // If we got one player and were interrupted, put that player back
             if (playerOne != null)
                 players.addFirst(playerOne);
             // Then propagate the exception
             throw e;
         }
    }
}

不要生吞中斷

有時候拋出 InterruptedException 並不合適，例如當由 Runnable 定義的任務調用一個可中斷的方法時，就是如此。在這種情況下，不能重新拋出 InterruptedException，但是您也不想什麼都不做。當一個阻塞方法檢測到中斷並拋出 InterruptedException 時，它清除中斷狀態。如果捕捉到 InterruptedException 但是不能重新拋出它，那麼應該保留中斷發生的證據，以便調用棧中更高層的代碼能知道中斷，並對中斷作出響應。該任務可以通過調用 interrupt() 以 “重新中斷” 當前線程來完成，如清單 3 所示。至少，每當捕捉到 InterruptedException 並且不重新拋出它時，就在返回之前重新中斷當前線程。

清單 3. 捕捉 InterruptedException 後恢復中斷狀態

public class TaskRunner implements Runnable {
    private BlockingQueue<Task> queue;

    public TaskRunner(BlockingQueue<Task> queue) { 
        this.queue = queue; 
    }

    public void run() { 
        try {
             while (true) {
                 Task task = queue.take(10, TimeUnit.SECONDS);
                 task.execute();
             }
         }
         catch (InterruptedException e) { 
             // Restore the interrupted status
             Thread.currentThread().interrupt();
         }
    }
}

處理 InterruptedException 時采取的最糟糕的做法是生吞它 —— 捕捉它，然後既不重新拋出它，也不重新斷言線程的中斷狀態。對於不知如何處理的異常，最標准的處理方法是捕捉它，然後記錄下它，但是這種方法仍然無異於生吞中斷，因為調用棧中更高層的代碼還是無法獲得關於該異常的信息。（僅僅記錄 InterruptedException 也不是明智的做法，因為等到人來讀取日志的時候，再來對它作出處理就為時已晚了。） 清單 4 展示了一種使用得很廣泛的模式，這也是生吞中斷的一種模式：

清單 4. 生吞中斷 —— 不要這麼做

// Don't do this 
public class TaskRunner implements Runnable {
    private BlockingQueue<Task> queue;

    public TaskRunner(BlockingQueue<Task> queue) { 
        this.queue = queue; 
    }

    public void run() { 
        try {
             while (true) {
                 Task task = queue.take(10, TimeUnit.SECONDS);
                 task.execute();
             }
         }
         catch (InterruptedException swallowed) { 
             /* DON'T DO THIS - RESTORE THE INTERRUPTED STATUS INSTEAD */
         }
    }
}

如果不能重新拋出 InterruptedException，不管您是否計劃處理中斷請求，仍然需要重新中斷當前線程，因為一個中斷請求可能有多個 “接收者”。標准線程池 （ThreadPoolExecutor）worker 線程實現負責中斷，因此中斷一個運行在線��池中的任務可以起到雙重效果，一是取消任務，二是通知執行線程線程池正要關閉。如果任務生吞中斷請求，則 worker 線程將不知道有一個被請求的中斷，從而耽誤應用程序或服務的關閉。

實現可取消任務

語言規范中並沒有為中斷提供特定的語義，但是在較大的程序中，難於維護除取消外的任何中斷語義。取決於是什麼活動，用戶可以通過一個 GUI 或通過網絡機制，例如 JMX 或 Web 服務來請求取消。程序邏輯也可以請求取消。例如，一個 Web 爬行器（crawler）如果檢測到磁盤已滿，它會自動關閉自己，否則一個並行算法會啟動多個線程來搜索解決方案空間的不同區域，一旦其中一個線程找到一個解決方案，就取消那些線程。

僅僅因為一個任務是可取消的，並不意味著需要立即 對中斷請求作出響應。對於執行一個循環中的代碼的任務，通常只需為每一個循環迭代檢查一次中斷。取決於循環執行的時間有多長，任何代碼可能要花一些時間才能注意到線程已經被中斷（或者是通過調用 Thread.isInterrupted() 方法輪詢中斷狀態，或者是調用一個阻塞方法）。 如果任務需要提高響應能力，那麼它可以更頻繁地輪詢中斷狀態。阻塞方法通常在入口就立即輪詢中斷狀態，並且，如果它被設置來改善響應能力，那麼還會拋出 InterruptedException。

惟一可以生吞中斷的時候是您知道線程正要退出。只有當調用可中斷方法的類是 Thread 的一部分，而不是 Runnable 或通用庫代碼的情況下，才會發生這樣的場景，清單 5 演示了這種情況。清單 5 創建一個線程，該線程列舉素數，直到被中斷，這裡還允許該線程在被中斷時退出。用於搜索素數的循環在兩個地方檢查是否有中斷：一處是在 while 循環的頭部輪詢 isInterrupted() 方法，另一處是調用阻塞方法 BlockingQueue.put()。

清單 5. 如果知道線程正要退出的話，則可以生吞中斷

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(); }
}

不可中斷的阻塞方法

並非所有的阻塞方法都拋出 InterruptedException。輸入和輸出流類會阻塞等待 I/O 完成，但是它們不拋出 InterruptedException，而且在被中斷的情況下也不會提前返回。然而，對於套接字 I/O，如果一個線程關閉套接字，則那個套接字上的阻塞 I/O 操作將提前結束，並拋出一個 SocketException。java.nio 中的非阻塞 I/O 類也不支持可中斷 I/O，但是同樣可以通過關閉通道或者請求 Selector 上的喚醒來取消阻塞操作。類似地，嘗試獲取一個內部鎖的操作（進入一個 synchronized 塊）是不能被中斷的，但是 ReentrantLock 支持可中斷的獲取模式。

不可取消的任務

有些任務拒絕被中斷，這使得它們是不可取消的。但是，即使是不可取消的任務也應該嘗試保留中斷狀態，以防在不可取消的任務結束之後，調用棧上更高層的代碼需要對中斷進行處理。清單 6 展示了一個方法，該方法等待一個阻塞隊列，直到隊列中出現一個可用項目，而不管它是否被中斷。為了方便他人，它在結束後在一個 finally 塊中恢復中斷狀態，以免剝奪中斷請求的調用者的權利。（它不能在更早的時候恢復中斷狀態，因為那將導致無限循環 —— BlockingQueue.take() 將在入口處立即輪詢中斷狀態，並且，如果發現中斷狀態集，就會拋出 InterruptedException。）

清單 6. 在返回前恢復中斷狀態的不可取消任務

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();
    }
}

結束語

您可以用 Java 平台提供的協作中斷機制來構造靈活的取消策略。各活動可以自行決定它們是可取消的還是不可取消的，以及如何對中斷作出響應，如果立即返回會危害應用程序完整性的話，它們還可以推遲中斷。即使您想在代碼中完全忽略中斷，也應該確保在捕捉到 InterruptedException 但是沒有重新拋出它的情況下，恢復中斷狀態，以免調用它的代碼無法獲知中斷的發生。