ThinkChat2.0新版上线,更智能更精彩,支持会话、画图、阅读、搜索等,送10W Token,即刻开启你的AI之旅 广告
# 14.3 堵塞 一个线程可以有四种状态: (1) 新(New):线程对象已经创建,但尚未启动,所以不可运行。 (2) 可运行(Runnable):意味着一旦时间分片机制有空闲的CPU周期提供给一个线程,那个线程便可立即开始运行。因此,线程可能在、也可能不在运行当中,但一旦条件许可,没有什么能阻止它的运行——它既没有“死”掉,也未被“堵塞”。 (3) 死(Dead):从自己的`run()`方法中返回后,一个线程便已“死”掉。亦可调用`stop()`令其死掉,但会产生一个异常——属于`Error`的一个子类(也就是说,我们通常不捕获它)。记住一个异常的“抛”出应当是一个特殊事件,而不是正常程序运行的一部分。所以不建议你使用`stop()`(在Java 1.2则是坚决反对)。另外还有一个`destroy()`方法(它永远不会实现),应该尽可能地避免调用它,因为它非常武断,根本不会解除对象的锁定。 (4) 堵塞(Blocked):线程可以运行,但有某种东西阻碍了它。若线程处于堵塞状态,调度机制可以简单地跳过它,不给它分配任何CPU时间。除非线程再次进入“可运行”状态,否则不会采取任何操作。 ## 14.3.1 为何会堵塞 堵塞状态是前述四种状态中最有趣的,值得我们作进一步的探讨。线程被堵塞可能是由下述五方面的原因造成的: (1) 调用`sleep(毫秒数)`,使线程进入“睡眠”状态。在规定的时间内,这个线程是不会运行的。 (2) 用`suspend()`暂停了线程的执行。除非线程收到`resume()`消息,否则不会返回“可运行”状态。 (3) 用`wait()`暂停了线程的执行。除非线程收到`nofify()`或者`notifyAll()`消息,否则不会变成“可运行”(是的,这看起来同原因2非常相象,但有一个明显的区别是我们马上要揭示的)。 (4) 线程正在等候一些IO(输入输出)操作完成。 (5) 线程试图调用另一个对象的“同步”方法,但那个对象处于锁定状态,暂时无法使用。 亦可调用`yield()`(`Thread`类的一个方法)自动放弃CPU,以便其他线程能够运行。然而,假如调度机制觉得我们的线程已拥有足够的时间,并跳转到另一个线程,就会发生同样的事情。也就是说,没有什么能防止调度机制重新启动我们的线程。线程被堵塞后,便有一些原因造成它不能继续运行。 下面这个例子展示了进入堵塞状态的全部五种途径。它们全都存在于名为`Blocking.java`的一个文件中,但在这儿采用散落的片断进行解释(大家可注意到片断前后的`Continued`以及`Continuing`标志。利用第17章介绍的工具,可将这些片断连结到一起)。首先让我们看看基本的框架: ``` //: Blocking.java // Demonstrates the various ways a thread // can be blocked. import java.awt.*; import java.awt.event.*; import java.applet.*; import java.io.*; //////////// The basic framework /////////// class Blockable extends Thread { private Peeker peeker; protected TextField state = new TextField(40); protected int i; public Blockable(Container c) { c.add(state); peeker = new Peeker(this, c); } public synchronized int read() { return i; } protected synchronized void update() { state.setText(getClass().getName() + " state: i = " + i); } public void stopPeeker() { // peeker.stop(); Deprecated in Java 1.2 peeker.terminate(); // The preferred approach } } class Peeker extends Thread { private Blockable b; private int session; private TextField status = new TextField(40); private boolean stop = false; public Peeker(Blockable b, Container c) { c.add(status); this.b = b; start(); } public void terminate() { stop = true; } public void run() { while (!stop) { status.setText(b.getClass().getName() + " Peeker " + (++session) + "; value = " + b.read()); try { sleep(100); } catch (InterruptedException e){} } } } ///:Continued ``` `Blockable`类打算成为本例所有类的一个基类。一个`Blockable`对象包含了一个名为`state`的`TextField`(文本字段),用于显示出对象有关的信息。用于显示这些信息的方法叫作`update()`。我们发现它用`getClass.getName()`来产生类名,而不是仅仅把它打印出来;这是由于`update(0)`不知道自己为其调用的那个类的准确名字,因为那个类是从`Blockable`派生出来的。 在`Blockable`中,变动指示符是一个`int i`;派生类的`run()`方法会为其自增。 针对每个`Bloackable`对象,都会启动`Peeker`类的一个线程。`Peeker`的任务是调用`read()`方法,检查与自己关联的`Blockable`对象,看看i是否发生了变化,最后用它的`status`文本字段报告检查结果。注意`read()`和`update()`都是同步的,要求对象的锁定能自由解除,这一点非常重要。 (1) 睡眠 这个程序的第一项测试是用`sleep()`作出的: ``` ///:Continuing ///////////// Blocking via sleep() /////////// class Sleeper1 extends Blockable { public Sleeper1(Container c) { super(c); } public synchronized void run() { while(true) { i++; update(); try { sleep(1000); } catch (InterruptedException e){} } } } class Sleeper2 extends Blockable { public Sleeper2(Container c) { super(c); } public void run() { while(true) { change(); try { sleep(1000); } catch (InterruptedException e){} } } public synchronized void change() { i++; update(); } } ///:Continued ``` 在`Sleeper1`中,整个`run()`方法都是同步的。我们可看到与这个对象关联在一起的`Peeker`可以正常运行,直到我们启动线程为止,随后`Peeker`便会完全停止。这正是“堵塞”的一种形式:因为`Sleeper1.run()`是同步的,而且一旦线程启动,它就肯定在`run()`内部,方法永远不会放弃对象锁定,造成`Peeker`线程的堵塞。 `Sleeper2`通过设置不同步的运行,提供了一种解决方案。只有`change()`方法才是同步的,所以尽管`run()`位于`sleep()`内部,`Peeker`仍然能访问自己需要的同步方法——`read()`。在这里,我们可看到在启动了`Sleeper2`线程以后,`Peeker`会持续运行下去。 (2) 暂停和恢复 这个例子接下来的一部分引入了“挂起”或者“暂停”(`Suspend`)的概述。`Thread`类提供了一个名为`suspend()`的方法,可临时中止线程;以及一个名为`resume()`的方法,用于从暂停处开始恢复线程的执行。显然,我们可以推断出`resume()`是由暂停线程外部的某个线程调用的。在这种情况下,需要用到一个名为`Resumer`(恢复器)的独立类。演示暂停/恢复过程的每个类都有一个相关的恢复器。如下所示: ``` ///:Continuing /////////// Blocking via suspend() /////////// class SuspendResume extends Blockable { public SuspendResume(Container c) { super(c); new Resumer(this); } } class SuspendResume1 extends SuspendResume { public SuspendResume1(Container c) { super(c);} public synchronized void run() { while(true) { i++; update(); suspend(); // Deprecated in Java 1.2 } } } class SuspendResume2 extends SuspendResume { public SuspendResume2(Container c) { super(c);} public void run() { while(true) { change(); suspend(); // Deprecated in Java 1.2 } } public synchronized void change() { i++; update(); } } class Resumer extends Thread { private SuspendResume sr; public Resumer(SuspendResume sr) { this.sr = sr; start(); } public void run() { while(true) { try { sleep(1000); } catch (InterruptedException e){} sr.resume(); // Deprecated in Java 1.2 } } } ///:Continued ``` `SuspendResume1`也提供了一个同步的`run()`方法。同样地,当我们启动这个线程以后,就会发现与它关联的`Peeker`进入“堵塞”状态,等候对象锁被释放,但那永远不会发生。和往常一样,这个问题在`SuspendResume2`里得到了解决,它并不同步整个`run()`方法,而是采用了一个单独的同步`change()`方法。 对于Java 1.2,大家应注意`suspend()`和`resume()`已获得强烈反对,因为`suspend()`包含了对象锁,所以极易出现“死锁”现象。换言之,很容易就会看到许多被锁住的对象在傻乎乎地等待对方。这会造成整个应用程序的“凝固”。尽管在一些老程序中还能看到它们的踪迹,但在你写自己的程序时,无论如何都应避免。本章稍后就会讲述正确的方案是什么。 (3) 等待和通知 通过前两个例子的实践,我们知道无论`sleep()`还是`suspend()`都不会在自己被调用的时候解除锁定。需要用到对象锁时,请务必注意这个问题。在另一方面,`wait()`方法在被调用时却会解除锁定,这意味着可在执行`wait()`期间调用线程对象中的其他同步方法。但在接着的两个类中,我们看到`run()`方法都是“同步”的。在`wait()`期间,`Peeker`仍然拥有对同步方法的完全访问权限。这是由于`wait()`在挂起内部调用的方法时,会解除对象的锁定。 我们也可以看到`wait()`的两种形式。第一种形式采用一个以毫秒为单位的参数,它具有与`sleep()`中相同的含义:暂停这一段规定时间。区别在于在`wait()`中,对象锁已被解除,而且能够自由地退出`wait()`,因为一个`notify()`可强行使时间流逝。 第二种形式不采用任何参数,这意味着`wait()`会持续执行,直到`notify()`介入为止。而且在一段时间以后,不会自行中止。 `wait()`和`notify()`比较特别的一个地方是这两个方法都属于基类`Object`的一部分,不象`sleep()`,`suspend()`以及`resume()`那样属于`Thread`的一部分。尽管这表面看有点儿奇怪——居然让专门进行线程处理的东西成为通用基类的一部分——但仔细想想又会释然,因为它们操纵的对象锁也属于每个对象的一部分。因此,我们可将一个`wait()`置入任何同步方法内部,无论在那个类里是否准备进行涉及线程的处理。事实上,我们能调用`wait()`的唯一地方是在一个同步的方法或代码块内部。若在一个不同步的方法内调用`wait()`或者`notify()`,尽管程序仍然会编译,但在运行它的时候,就会得到一个`IllegalMonitorStateException`(非法监视器状态异常),而且会出现多少有点莫名其妙的一条消息:`current thread not owner`(当前线程不是所有人”。注意`sleep()`,`suspend()`以及`resume()`都能在不同步的方法内调用,因为它们不需要对锁定进行操作。 只能为自己的锁定调用`wait()`和`notify()`。同样地,仍然可以编译那些试图使用错误锁定的代码,但和往常一样会产生同样的`IllegalMonitorStateException`异常。我们没办法用其他人的对象锁来愚弄系统,但可要求另一个对象执行相应的操作,对它自己的锁进行操作。所以一种做法是创建一个同步方法,令其为自己的对象调用`notify()`。但在`Notifier`中,我们会看到一个同步方法内部的`notify()`: ``` synchronized(wn2) { wn2.notify(); } ``` 其中,`wn2`是类型为`WaitNotify2`的对象。尽管并不属于`WaitNotify2`的一部分,这个方法仍然获得了`wn2`对象的锁定。在这个时候,它为`wn2`调用`notify()`是合法的,不会得到`IllegalMonitorStateException`异常。 ``` ///:Continuing /////////// Blocking via wait() /////////// class WaitNotify1 extends Blockable { public WaitNotify1(Container c) { super(c); } public synchronized void run() { while(true) { i++; update(); try { wait(1000); } catch (InterruptedException e){} } } } class WaitNotify2 extends Blockable { public WaitNotify2(Container c) { super(c); new Notifier(this); } public synchronized void run() { while(true) { i++; update(); try { wait(); } catch (InterruptedException e){} } } } class Notifier extends Thread { private WaitNotify2 wn2; public Notifier(WaitNotify2 wn2) { this.wn2 = wn2; start(); } public void run() { while(true) { try { sleep(2000); } catch (InterruptedException e){} synchronized(wn2) { wn2.notify(); } } } } ///:Continued ``` 若必须等候其他某些条件(从线程外部加以控制)发生变化,同时又不想在线程内一直傻乎乎地等下去,一般就需要用到`wait()`。`wait()`允许我们将线程置入“睡眠”状态,同时又“积极”地等待条件发生改变。而且只有在一个`notify()`或`notifyAll()`发生变化的时候,线程才会被唤醒,并检查条件是否有变。因此,我们认为它提供了在线程间进行同步的一种手段。 (4) IO堵塞 若一个数据流必须等候一些IO活动,便会自动进入“堵塞”状态。在本例下面列出的部分中,有两个类协同通用的`Reader`以及`Writer`对象工作(使用Java 1.1的流)。但在测试模型中,会设置一个管道化的数据流,使两个线程相互间能安全地传递数据(这正是使用管道流的目的)。 `Sender`将数据置入`Writer`,并“睡眠”随机长短的时间。然而,`Receiver`本身并没有包括`sleep()`,`suspend()`或者`wait()`方法。但在执行`read()`的时候,如果没有数据存在,它会自动进入“堵塞”状态。如下所示: ``` ///:Continuing class Sender extends Blockable { // send private Writer out; public Sender(Container c, Writer out) { super(c); this.out = out; } public void run() { while(true) { for(char c = 'A'; c <= 'z'; c++) { try { i++; out.write(c); state.setText("Sender sent: " + (char)c); sleep((int)(3000 * Math.random())); } catch (InterruptedException e){} catch (IOException e) {} } } } } class Receiver extends Blockable { private Reader in; public Receiver(Container c, Reader in) { super(c); this.in = in; } public void run() { try { while(true) { i++; // Show peeker it's alive // Blocks until characters are there: state.setText("Receiver read: " + (char)in.read()); } } catch(IOException e) { e.printStackTrace();} } } ///:Continued ``` 这两个类也将信息送入自己的`state`字段,并修改`i`值,使`Peeker`知道线程仍在运行。 (5) 测试 令人惊讶的是,主要的程序片(Applet)类非常简单,这是大多数工作都已置入`Blockable`框架的缘故。大概地说,我们创建了一个由`Blockable`对象构成的数组。而且由于每个对象都是一个线程,所以在按下`"start"`按钮后,它们会采取自己的行动。还有另一个按钮和`actionPerformed()`从句,用于中止所有`Peeker`对象。由于Java 1.2“反对”使用`Thread`的`stop()`方法,所以可考虑采用这种折衷形式的中止方式。 为了在`Sender`和`Receiver`之间建立一个连接,我们创建了一个`PipedWriter`和一个`PipedReader`。注意`PipedReader in`必须通过一个构造器参数同`PipedWriterout`连接起来。在那以后,我们在`out`内放进去的所有东西都可从`in`中提取出来——似乎那些东西是通过一个“管道”传输过去的。随后将`in`和`out`对象分别传递给`Receiver`和`Sender`构造器;后者将它们当作任意类型的`Reader`和`Writer`看待(也就是说,它们被“上溯”转换了)。 `Blockable`引用`b`的数组在定义之初并未得到初始化,因为管道化的数据流是不可在定义前设置好的(对`try`块的需要将成为障碍): ``` ///:Continuing /////////// Testing Everything /////////// public class Blocking extends Applet { private Button start = new Button("Start"), stopPeekers = new Button("Stop Peekers"); private boolean started = false; private Blockable[] b; private PipedWriter out; private PipedReader in; public void init() { out = new PipedWriter(); try { in = new PipedReader(out); } catch(IOException e) {} b = new Blockable[] { new Sleeper1(this), new Sleeper2(this), new SuspendResume1(this), new SuspendResume2(this), new WaitNotify1(this), new WaitNotify2(this), new Sender(this, out), new Receiver(this, in) }; start.addActionListener(new StartL()); add(start); stopPeekers.addActionListener( new StopPeekersL()); add(stopPeekers); } class StartL implements ActionListener { public void actionPerformed(ActionEvent e) { if(!started) { started = true; for(int i = 0; i < b.length; i++) b[i].start(); } } } class StopPeekersL implements ActionListener { public void actionPerformed(ActionEvent e) { // Demonstration of the preferred // alternative to Thread.stop(): for(int i = 0; i < b.length; i++) b[i].stopPeeker(); } } public static void main(String[] args) { Blocking applet = new Blocking(); Frame aFrame = new Frame("Blocking"); aFrame.addWindowListener( new WindowAdapter() { public void windowClosing(WindowEvent e) { System.exit(0); } }); aFrame.add(applet, BorderLayout.CENTER); aFrame.setSize(350,550); applet.init(); applet.start(); aFrame.setVisible(true); } } ///:~ ``` 在`init()`中,注意循环会遍历整个数组,并为页添加`state`和`peeker.status`文本字段。 首次创建好`Blockable`线程以后,每个这样的线程都会自动创建并启动自己的`Peeker`。所以我们会看到各个`Peeker`都在`Blockable`线程启动之前运行起来。这一点非常重要,因为在`Blockable`线程启动的时候,部分`Peeker`会被堵塞,并停止运行。弄懂这一点,将有助于我们加深对“堵塞”这一概念的认识。 ## 14.3.2 死锁 由于线程可能进入堵塞状态,而且由于对象可能拥有“同步”方法——除非同步锁定被解除,否则线程不能访问那个对象——所以一个线程完全可能等候另一个对象,而另一个对象又在等候下一个对象,以此类推。这个“等候”链最可怕的情形就是进入封闭状态——最后那个对象等候的是第一个对象!此时,所有线程都会陷入无休止的相互等待状态,大家都动弹不得。我们将这种情况称为“死锁”。尽管这种情况并非经常出现,但一旦碰到,程序的调试将变得异常艰难。 就语言本身来说,尚未直接提供防止死锁的帮助措施,需要我们通过谨慎的设计来避免。如果有谁需要调试一个死锁的程序,他是没有任何窍门可用的。 (1) Java 1.2对`stop()`,`suspend()`,`resume()`以及`destroy()`的反对 为减少出现死锁的可能,Java 1.2作出的一项贡献是“反对”使用`Thread`的`stop()`,`suspend()`,`resume()`以及`destroy()`方法。 之所以反对使用`stop()`,是因为它不安全。它会解除由线程获取的所有锁定,而且如果对象处于一种不连贯状态(“被析构”),那么其他线程能在那种状态下检查和修改它们。结果便造成了一种微妙的局面,我们很难检查出真正的问题所在。所以应尽量避免使用`stop()`,应该采用`Blocking.java`那样的方法,用一个标志告诉线程什么时候通过退出自己的`run()`方法来中止自己的执行。 如果一个线程被堵塞,比如在它等候输入的时候,那么一般都不能象在`Blocking.java`中那样轮询一个标志。但在这些情况下,我们仍然不该使用`stop()`,而应换用由`Thread`提供的`interrupt()`方法,以便中止并退出堵塞的代码。 ``` //: Interrupt.java // The alternative approach to using stop() // when a thread is blocked import java.awt.*; import java.awt.event.*; import java.applet.*; class Blocked extends Thread { public synchronized void run() { try { wait(); // Blocks } catch(InterruptedException e) { System.out.println("InterruptedException"); } System.out.println("Exiting run()"); } } public class Interrupt extends Applet { private Button interrupt = new Button("Interrupt"); private Blocked blocked = new Blocked(); public void init() { add(interrupt); interrupt.addActionListener( new ActionListener() { public void actionPerformed(ActionEvent e) { System.out.println("Button pressed"); if(blocked == null) return; Thread remove = blocked; blocked = null; // to release it remove.interrupt(); } }); blocked.start(); } public static void main(String[] args) { Interrupt applet = new Interrupt(); Frame aFrame = new Frame("Interrupt"); aFrame.addWindowListener( new WindowAdapter() { public void windowClosing(WindowEvent e) { System.exit(0); } }); aFrame.add(applet, BorderLayout.CENTER); aFrame.setSize(200,100); applet.init(); applet.start(); aFrame.setVisible(true); } } ///:~ ``` `Blocked.run()`内部的`wait()`会产生堵塞的线程。当我们按下按钮以后,`blocked`(堵塞)的引用就会设为`null`,使垃圾收集器能够将其清除,然后调用对象的`interrupt()`方法。如果是首次按下按钮,我们会看到线程正常退出。但在没有可供“杀死”的线程以后,看到的便只是按钮被按下而已。 `suspend()`和`resume()`方法天生容易发生死锁。调用`suspend()`的时候,目标线程会停下来,但却仍然持有在这之前获得的锁定。此时,其他任何线程都不能访问锁定的资源,除非被“挂起”的线程恢复运行。对任何线程来说,如果它们想恢复目标线程,同时又试图使用任何一个锁定的资源,就会造成令人难堪的死锁。所以我们不应该使用`suspend()`和`resume()`,而应在自己的`Thread`类中置入一个标志,指出线程应该活动还是挂起。若标志指出线程应该挂起,便用`wait()`命其进入等待状态。若标志指出线程应当恢复,则用一个`notify()`重新启动线程。我们可以修改前面的`Counter2.java`来实际体验一番。尽管两个版本的效果是差不多的,但大家会注意到代码的组织结构发生了很大的变化——为所有“听众”都使用了匿名的内部类,而且`Thread`是一个内部类。这使得程序的编写稍微方便一些,因为它取消了`Counter2.java`中一些额外的记录工作。 ``` //: Suspend.java // The alternative approach to using suspend() // and resume(), which have been deprecated // in Java 1.2. import java.awt.*; import java.awt.event.*; import java.applet.*; public class Suspend extends Applet { private TextField t = new TextField(10); private Button suspend = new Button("Suspend"), resume = new Button("Resume"); class Suspendable extends Thread { private int count = 0; private boolean suspended = false; public Suspendable() { start(); } public void fauxSuspend() { suspended = true; } public synchronized void fauxResume() { suspended = false; notify(); } public void run() { while (true) { try { sleep(100); synchronized(this) { while(suspended) wait(); } } catch (InterruptedException e){} t.setText(Integer.toString(count++)); } } } private Suspendable ss = new Suspendable(); public void init() { add(t); suspend.addActionListener( new ActionListener() { public void actionPerformed(ActionEvent e) { ss.fauxSuspend(); } }); add(suspend); resume.addActionListener( new ActionListener() { public void actionPerformed(ActionEvent e) { ss.fauxResume(); } }); add(resume); } public static void main(String[] args) { Suspend applet = new Suspend(); Frame aFrame = new Frame("Suspend"); aFrame.addWindowListener( new WindowAdapter() { public void windowClosing(WindowEvent e){ System.exit(0); } }); aFrame.add(applet, BorderLayout.CENTER); aFrame.setSize(300,100); applet.init(); applet.start(); aFrame.setVisible(true); } } ///:~ ``` `Suspendable`中的`suspended`(已挂起)标志用于开关“挂起”或者“暂停”状态。为挂起一个线程,只需调用`fauxSuspend(`)将标志设为`true`(真)即可。对标志状态的侦测是在`run()`内进行的。就象本章早些时候提到的那样,`wait()`必须设为“同步”(`synchronized`),使其能够使用对象锁。在`fauxResume()`中,`suspended`标志被设为`false`(假),并调用`notify()`——由于这会在一个“同步”从句中唤醒`wait()`,所以`fauxResume()`方法也必须同步,使其能在调用`notify()`之前取得对象锁(这样一来,对象锁可由要唤醍的那个`wait()`使用)。如果遵照本程序展示的样式,可以避免使用`wait()`和`notify()`。 `Thread`的`destroy()`方法根本没有实现;它类似一个根本不能恢复的`suspend()`,所以会发生与`suspend()`一样的死锁问题。然而,这一方法没有得到明确的“反对”,也许会在Java以后的版本(1.2版以后)实现,用于一些可以承受死锁危险的特殊场合。 大家可能会奇怪当初为什么要实现这些现在又被“反对”的方法。之所以会出现这种情况,大概是由于Sun公司主要让技术人员来决定对语言的改动,而不是那些市场销售人员。通常,技术人员比搞销售的更能理解语言的实质。当初犯下了错误以后,也能较为理智地正视它们。这意味着Java能够继续进步,即便这使Java程序员多少感到有些不便。就我自己来说,宁愿面对这些不便之处,也不愿看到语言停滞不前。