JDK源碼閱讀：InterruptibleChannel 與可中斷 IO

知識 08-10

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來源：木杉的博客，

imushan.com/2018/08/01/java/language/JDK源碼閱讀-InterruptibleChannel與可中斷IO/

Java傳統IO是不支持中斷的，所以如果代碼在read/write等操作阻塞的話，是無法被中斷的。這就無法和Thead的interrupt模型配合使用了。JavaNIO眾多的升級點中就包含了IO操作對中斷的支持。InterruptiableChannel表示支持中斷的Channel。我們常用的FileChannel，SocketChannel，DatagramChannel都實現了這個介面。

InterruptibleChannel介面

public interface InterruptibleChannel extends Channel

{

/**

* 關閉當前Channel

* 任何當前阻塞在當前channel執行的IO操作上的線程，都會收到一個AsynchronousCloseException異常

public void close() throws IOException;

}

InterruptibleChannel介面沒有定義任何方法，其中的close方法是父介面就有的，這裡只是添加了額外的注釋。

AbstractInterruptibleChannel實現了InterruptibleChannel介面，並提供了實現可中斷IO機制的重要的方法，比如begin()，end()。

在解讀這些方法的代碼前，先了解一下NIO中，支持中斷的Channel代碼是如何編寫的。

第一個要求是要正確使用begin()和end()方法：

boolean completed = false;

try {

begin();

completed = ...; // 執行阻塞IO操作

return ...; // 返回結果

} finally {

end(completed);

}

NIO規定了，在阻塞IO的語句前後，需要調用begin()和end()方法，為了保證end()方法一定被調用，要求放在finally語句塊中。

第二個要求是Channel需要實現java.nio.channels.spi.AbstractInterruptibleChannel#implCloseChannel這個方法。AbstractInterruptibleChannel在處理中斷時，會調用這個方法，使用Channel的具體實現來關閉Channel。

接下來我們具體看一下begin()和end()方法是如何實現的。

begin方法

// 保存中斷處理對象實例

private Interruptible interruptor;

// 保存被中斷線程實例

private volatile Thread interrupted;

protected final void begin() {

// 初始化中斷處理對象，中斷處理對象提供了中斷處理回調

// 中斷處理回調登記被中斷的線程，然後調用implCloseChannel方法，關閉Channel

if (interruptor == null) {

interruptor = new Interruptible() {

public void interrupt(Thread target) {

synchronized (closeLock) {

// 如果當前Channel已經關閉，則直接返回

if (!open)

return;

// 設置標誌位，同時登記被中斷的線程

open = false;

interrupted = target;

try {

// 調用具體的Channel實現關閉Channel

AbstractInterruptibleChannel.this.implCloseChannel();

} catch (IOException x) { }

}

}};

}

// 登記中斷處理對象到當前線程

blockedOn(interruptor);

// 判斷當前線程是否已經被中斷，如果已經被中斷，可能登記的中斷處理對象沒有被執行，這裡手動執行一下

Thread me = Thread.currentThread();

if (me.isInterrupted())

interruptor.interrupt(me);

}

從begin()方法中，我們可以看出NIO實現可中斷IO操作的思路，是在Thread的中斷邏輯中，掛載自定義的中斷處理對象，這樣Thread對象在被中斷時，會執行中斷處理對象中的回調，這個回調中，執行關閉Channel的操作。這樣就實現了Channel對線程中斷的響應了。

接下來重點就是研究「Thread添加中斷處理邏輯」這個機制是如何實現的了，是通過blockedOn方法實現的：

static void blockedOn(Interruptible intr) { // package-private

sun.misc.SharedSecrets.getJavaLangAccess().blockedOn(Thread.currentThread(),intr);

}

blockedOn方法使用的是JavaLangAccess的blockedOn方法。

SharedSecrets是一個神奇而糟糕的類，為啥說是糟糕呢，因為這個方法的存在，就是為了訪問JDK類庫中一些因為類作用域限制而外部無法訪問的類或者方法。JDK很多類與方法是私有或者包級別私有的，外部是無法訪問的，但是JDK在本身實現的時候又存在互相依賴的情況，所以為了外部可以不依賴反射訪問這些類或者方法，在sun包下，存在這麼一個類，提供了各種超越限制的方法。

SharedSecrets.getJavaLangAccess()方法返回JavaLangAccess對象。JavaLangAccess對象就和名稱所說的一樣，提供了java.lang包下一些非公開的方法的訪問。這個類在System初始化時被構造：

// java.lang.System#setJavaLangAccess

private static void setJavaLangAccess() {

sun.misc.SharedSecrets.setJavaLangAccess(new sun.misc.JavaLangAccess(){

public void blockedOn(Thread t, Interruptible b) {

t.blockedOn(b);

}

//...

});

}

可以看出，sun.misc.JavaLangAccess#blockedOn保證的就是java.lang.Thread#blockedOn這個包級別私有的方法：

/* The object in which this thread is blocked in an interruptible I/O

* operation, if any. The blocker"s interrupt method should be invoked

* after setting this thread"s interrupt status.

private volatile Interruptible blocker;

private final Object blockerLock = new Object();

/* Set the blocker field; invoked via sun.misc.SharedSecrets from java.nio code

void blockedOn(Interruptible b) {

// 串列化blocker相關操作

synchronized (blockerLock) {

blocker = b;

}

而這個方法也非常簡單，就是設置java.lang.Thread#blocker變數為之前提到的中斷處理對象。而且從注釋中可以看出，這個方法就是專門為NIO設計的，注釋都非常直白的提到了，NIO的代碼會通過sun.misc.SharedSecrets調用到這個方法。。

接下來就是重頭戲了，看一下Thread在中斷時，如何調用NIO註冊的中斷處理器：

public void interrupt() {

if (this != Thread.currentThread())

checkAccess();

synchronized (blockerLock) {

Interruptible b = blocker;

// 如果NIO設置了中斷處理器，則只需Thread本身的中斷邏輯後，調用中斷處理器的回調函數

if (b != null) {

interrupt0(); // 這一步會設置interrupt標誌位

b.interrupt(this);

return;

}

// 如果沒有的話，就走普通流程

interrupt0();

}

end方法

begin()方法負責添加Channel的中斷處理器到當前線程。end()是在IO操作執行完/中斷完後的操作，負責判斷中斷是否發生，如果發生判斷是當前線程發生還是別的線程中斷把當前操作的Channel給關閉了，對於不同的情況，拋出不同的異常。

protected final void end(boolean completed) throws AsynchronousCloseException

{

// 清空線程的中斷處理器引用，避免線程一直存活導致中斷處理器無法被回收

blockedOn(null);

Thread interrupted = this.interrupted;

if (interrupted != null && interrupted == Thread.currentThread()) {

interrupted = null;

throw new ClosedByInterruptException();

}

// 如果這次沒有讀取到數據，並且Channel被另外一個線程關閉了，則排除Channel被非同步關閉的異常

// 但是如果這次讀取到了數據，就不能拋出異常，因為這次讀取的數據是有效的，需要返回給用戶的(重要邏輯)

if (!completed && !open)

throw new AsynchronousCloseException();

}

通過代碼可以看出，如果是當前線程被中斷，則拋出ClosedByInterruptException異常，表示Channel因為線程中斷而被關閉了，IO操作也隨之中斷了。

如果是當前線程發現Channel被關閉了，並且是讀取還未執行完畢的情況，則拋出AsynchronousCloseException異常，表示Channel被非同步關閉了。

end()邏輯的活動圖如下：

interruptible-2

場景分析

並發的場景分析起來就是複雜，上面的代碼不多，但是場景很多，我們以sun.nio.ch.FileChannelImpl#read(java.nio.ByteBuffer)為例分析一下可能的場景：

A線程read，B線程中斷A線程：A線程拋出ClosedByInterruptException異常

A，B線程read，C線程中斷A線程

A被中斷時，B剛剛進入read方法：A線程拋出ClosedByInterruptException異常，B線程ensureOpen方法拋出ClosedChannelException異常

A被中斷時，B阻塞在底層read方法中：A線程拋出ClosedByInterruptException異常，B線程底層方法拋出異常返回，end方法中拋出AsynchronousCloseException異常

A被中斷時，B已經讀取到數據：A線程拋出ClosedByInterruptException異常，B線程正常返回

sun.nio.ch.FileChannelImpl#read(java.nio.ByteBuffer)代碼如下：

public int read(ByteBuffer dst) throws IOException {

ensureOpen(); // 1

if (!readable) // 2

throw new NonReadableChannelException();

synchronized (positionLock) {

int n = 0;

int ti = -1;

try {

begin();

ti = threads.add();

if (!isOpen())

return 0; // 3

do {

n = IOUtil.read(fd, dst, -1, nd); // 4

} while ((n == IOStatus.INTERRUPTED) && isOpen());

return IOStatus.normalize(n);

} finally {

threads.remove(ti);

end(n > 0);

assert IOStatus.check(n);

}

總結

在JavaIO時期，人們為了中斷IO操作想了不少方法，核心操作就是關閉流，促使IO操作拋出異常，達到中斷IO的效果。NIO中，將這個操作植入了java.lang.Thread#interrupt方法，免去用戶自己編碼特定代碼的麻煩。使IO操作可以像其他可中斷方法一樣，在中斷時拋出ClosedByInterruptException異常，業務程序捕獲該異常即可對IO中斷做出響應。

參考資料

java – What does JavaLangAccess.blockedOn(Thread t, Interruptible b) do? – Stack Overflow

https://stackoverflow.com/questions/8544891/what-does-javalangaccess-blockedonthread-t-interruptible-b-do