Java多线程 两阶段终止模式Two-Phase Termination Patter

Java多线程 两阶段终止模式Two-Phase Termination Pattern

简介

在多线程编程中，线程的终止是一个比较复杂的问题。一般来说，线程有两种终止方式，一种是自然终止，另一种是强制终止。自然终止是指线程执行完了所有任务后正常结束，强制终止则是在任务还没有完成时，直接终止线程。强制终止可能会导致线程内部还未处理完的数据出现异常，使得线程内的资源不能得到释放，进而导致系统内存泄漏等问题。为了能够对多线程的任务进行安全有效的终止处理，引入了两阶段终止模式。

Two-Phase Termination Pattern是一种对线程终止操作进行预定义的方式。这种模式将线程的终止过程分成两个阶段：收到终止请求阶段和处理终止请求阶段。其中，收到终止请求阶段是用户通知线程要停止的时间点，而处理终止请求阶段是在线程判断可以安全终止的时刻采取终止操作的时间点。

实现

Two-Phase Termination Pattern包括以下流程：

1. 在线程类中定义volatile类型的变量，用于标记线程是否需要进行终止操作。

private volatile boolean stopRequested;

1. 在线程的run方法中增加循环，并在循环中检查stopRequested的状态。如果stopRequested被设置为true，线程应当停止并返回。

public void run() {
while (!stopRequested) {
// do something
}
}

1. 在需要终止线程的时候，使用stop()方法发出停止请求。

thread.stopRequested = true;
thread.interrupt();

通常，应该使用interrupt()方法进行请求。如果在执行任务的线程处于I/O等待、sleep、join等阻塞状态时，还可以使用interrupt()方法将线程的阻塞状态解除。

1. 在run方法中增加finally块，并在finally块中释放资源。

public void run() {
try {
while (!stopRequested) {
// do something
}
} finally {
// release resource
}
}

释放资源应该在finally块中完成。这样可以保证资源在任何情况下都能够被正常释放，从而避免线程终止时导致的资源泄漏问题。

示例

示例1：线程池终止

在线程池的实现中，线程池内的线程应该随时处于就绪状态，以等待提交的任务进行执行。线程终止操作需要保证在线程未执行任务的情况下能够快速中止。

public class MyThreadPool {
  private final Queue<Runnable> tasks = new LinkedList<>(); // 任务队列
  private final List<WorkerThread> workers = new ArrayList<>(); // 工作线程

  private volatile boolean stopped; // 终止标志

  public void execute(Runnable task) {
    synchronized (tasks) {
      tasks.add(task);
      tasks.notifyAll();
    }
  }

  public void shutdown() throws InterruptedException {
    synchronized (tasks) {
      stopped = true;
      tasks.notifyAll();
    }
    for (WorkerThread worker : workers) {
      worker.join();
    }
  }

  private class WorkerThread extends Thread {
    public void run() {
      while (!stopped) {
        Runnable task;
        synchronized (tasks) {
          while (tasks.isEmpty() && !stopped) {
            tasks.wait();
          }
          if (tasks.isEmpty()) {
            break;
          } else {
            task = tasks.poll();
          }
        }
        try {
          task.run();
        } catch (Throwable throwable) {
            throwable.printStackTrace();
        }
      }
    }
  }
}

在MyThreadPool类中，线程的终止标志stopped是一个volatile类型的变量，并在run方法中使用while循环和synchronized关键字保证线程的正常执行。当线程收到终止请求时，可以通过设置stopped变量来发送停止信号，并在WorkerThread类的run方法中进行判断。

示例2：线程组终止

Java中提供了ThreadGroup类，可用于对相关线程进行监控和控制。在使用ThreadGroup对线程进行管理时，也需要对线程终止方式进行定义。

public class MyThreadGroup extends ThreadGroup {
  private volatile boolean stopped; // 终止标志

  public MyThreadGroup(String name) {
    super(name);
  }

  public void shutdown() throws InterruptedException {
    stopped = true;

    interrupt();

    for (Thread thread : getThreads()) {
      if (thread != null && thread.isAlive()) {
        thread.join();
      }
    }
  }

  @Override
  public void uncaughtException(Thread thread, Throwable throwable) {
    // handle uncaught exception
  }
}

在MyThreadGroup类中，线程的终止标志是一个volatile类型的变量，并在shutdown方法中使用interrupt()方法发送停止信号，并使用join()方法等待相关线程结束。再在uncaughtException方法中进行未捕获异常的处理。

总结

Two-Phase Termination Pattern是一种实现线程终止处理的重要模式。通过该模式的使用，可以避免线程强制终止的情况发生，保证线程内部的资源被正常释放，从而防止出现内存泄漏等问题。在实际应用中，可结合具体需求选择合适的线程组织方式和线程终止方式。