JDK源码阅读:InterruptibleChannel与可中断IO

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Java传统IO是不支持中断的,所以如果代码在read/write等操作阻塞的话,是无法被中断的。这就无法和Thead的interrupt模型配合使用了。JavaNIO众多的升级点中就包含了IO操作对中断的支持。InterruptiableChannel表示支持中断的Channel。我们常用的FileChannel,SocketChannel,DatagramChannel都实现了这个接口。

InterruptibleChannel接口

public interface InterruptibleChannel extends Channel
{

/**
 * 关闭当前Channel
 *

* 任何当前阻塞在当前channel执行的IO操作上的线程,都会收到一个AsynchronousCloseException异常
 */
public void close() throws IOException;
}

InterruptibleChannel接口没有定义任何方法,其中的close方法是父接口就有的,这里只是添加了额外的注释。

AbstractInterruptibleChannel实现了InterruptibleChannel接口,并提供了实现可中断IO机制的重要的方法,比如begin()end()

在解读这些方法的代码前,先了解一下NIO中,支持中断的Channel代码是如何编写的。

第一个要求是要正确使用begin()end()方法:

boolean completed = false;
try {
begin();
completed = ...;

// 执行阻塞IO操作
return ...;
// 返回结果
} finally {
end(completed);
}

NIO规定了,在阻塞IO的语句前后,需要调用begin()end()方法,为了保证end()方法一定被调用,要求放在finally语句块中。

第二个要求是Channel需要实现java.nio.channels.spi.AbstractInterruptibleChannel#implCloseChannel这个方法。AbstractInterruptibleChannel在处理中断时,会调用这个方法,使用Channel的具体实现来关闭Channel。

接下来我们具体看一下begin()end()方法是如何实现的。

begin方法

// 保存中断处理对象实例
private Interruptible interruptor;
// 保存被中断线程实例
private volatile Thread interrupted;

protected final void begin() {
// 初始化中断处理对象,中断处理对象提供了中断处理回调
// 中断处理回调登记被中断的线程,然后调用implCloseChannel方法,关闭Channel
if (interruptor == null) {
interruptor = new Interruptible() {


public void interrupt(Thread target) {


synchronized (closeLock) {


// 如果当前Channel已经关闭,则直接返回


if (!open)


return;



// 设置标志位,同时登记被中断的线程


open = false;


interrupted = target;


try {


// 调用具体的Channel实现关闭Channel


AbstractInterruptibleChannel.this.implCloseChannel();


} catch (IOException x) { }


}


}};
}
// 登记中断处理对象到当前线程
blockedOn(interruptor);

// 判断当前线程是否已经被中断,如果已经被中断,可能登记的中断处理对象没有被执行,这里手动执行一下
Thread me = Thread.currentThread();
if (me.isInterrupted())
interruptor.interrupt(me);
}

begin()方法中,我们可以看出NIO实现可中断IO操作的思路,是在Thread的中断逻辑中,挂载自定义的中断处理对象,这样Thread对象在被中断时,会执行中断处理对象中的回调,这个回调中,执行关闭Channel的操作。这样就实现了Channel对线程中断的响应了。

接下来重点就是研究“Thread添加中断处理逻辑”这个机制是如何实现的了,是通过blockedOn方法实现的:

static void blockedOn(Interruptible intr) {
// package-private
sun.misc.SharedSecrets.getJavaLangAccess().blockedOn(Thread.currentThread(),intr);
}

blockedOn方法使用的是JavaLangAccessblockedOn方法。

SharedSecrets是一个神奇而糟糕的类,为啥说是糟糕呢,因为这个方法的存在,就是为了访问JDK类库中一些因为类作用域限制而外部无法访问的类或者方法。JDK很多类与方法是私有或者包级别私有的,外部是无法访问的,但是JDK在本身实现的时候又存在互相依赖的情况,所以为了外部可以不依赖反射访问这些类或者方法,在sun包下,存在这么一个类,提供了各种超越限制的方法。

SharedSecrets.getJavaLangAccess()方法返回JavaLangAccess对象。JavaLangAccess对象就和名称所说的一样,提供了java.lang包下一些非公开的方法的访问。这个类在System初始化时被构造:

// 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保证的就是java.lang.Thread#blockedOn这个包级别私有的方法:

/* 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) {
// 串行化blocker相关操作
synchronized (blockerLock) {
blocker = b;
}
}

而这个方法也非常简单,就是设置java.lang.Thread#blocker变量为之前提到的中断处理对象。而且从注释中可以看出,这个方法就是专门为NIO设计的,注释都非常直白的提到了,NIO的代码会通过sun.misc.SharedSecrets调用到这个方法。。

接下来就是重头戏了,看一下Thread在中断时,如何调用NIO注册的中断处理器:

public void interrupt() {
if (this != Thread.currentThread())
checkAccess();

synchronized (blockerLock) {
Interruptible b = blocker;

// 如果NIO设置了中断处理器,则只需Thread本身的中断逻辑后,调用中断处理器的回调函数
if (b != null) {


interrupt0();
 // 这一步会设置interrupt标志位


b.interrupt(this);


return;
}
}

// 如果没有的话,就走普通流程
interrupt0();
}

end方法

begin()方法负责添加Channel的中断处理器到当前线程。end()是在IO操作执行完/中断完后的操作,负责判断中断是否发生,如果发生判断是当前线程发生还是别的线程中断把当前操作的Channel给关闭了,对于不同的情况,抛出不同的异常。

protected final void end(boolean completed) throws AsynchronousCloseException
{
	// 清空线程的中断处理器引用,避免线程一直存活导致中断处理器无法被回收
blockedOn(null);
Thread interrupted = this.interrupted;

if (interrupted != null && interrupted == Thread.currentThread()) {
interrupted = null;
throw new ClosedByInterruptException();
}
// 如果这次没有读取到数据,并且Channel被另外一个线程关闭了,则排除Channel被异步关闭的异常
// 但是如果这次读取到了数据,就不能抛出异常,因为这次读取的数据是有效的,需要返回给用户的(重要逻辑)
if (!completed && !open)
throw new AsynchronousCloseException();
}

通过代码可以看出,如果是当前线程被中断,则抛出ClosedByInterruptException异常,表示Channel因为线程中断而被关闭了,IO操作也随之中断了。

如果是当前线程发现Channel被关闭了,并且是读取还未执行完毕的情况,则抛出AsynchronousCloseException异常,表示Channel被异步关闭了。

end()逻辑的活动图如下:

场景分析

并发的场景分析起来就是复杂,上面的代码不多,但是场景很多,我们以sun.nio.ch.FileChannelImpl#read(java.nio.ByteBuffer)为例分析一下可能的场景:

  1. A线程read,B线程中断A线程:A线程抛出ClosedByInterruptException异常
  2. A,B线程read,C线程中断A线程
    1. A被中断时,B刚刚进入read方法:A线程抛出ClosedByInterruptException异常,B线程ensureOpen方法抛出ClosedChannelException异常
      1. A被中断时,B阻塞在底层read方法中:A线程抛出ClosedByInterruptException异常,B线程底层方法抛出异常返回,end方法中抛出AsynchronousCloseException异常
      2. A被中断时,B已经读取到数据:A线程抛出ClosedByInterruptException异常,B线程正常返回

sun.nio.ch.FileChannelImpl#read(java.nio.ByteBuffer)代码如下:

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);
}
}
}

总结

在JavaIO时期,人们为了中断IO操作想了不少方法,核心操作就是关闭流,促使IO操作抛出异常,达到中断IO的效果。NIO中,将这个操作植入了java.lang.Thread#interrupt方法,免去用户自己编码特定代码的麻烦。使IO操作可以像其他可中断方法一样,在中断时抛出ClosedByInterruptException异常,业务程序捕获该异常即可对IO中断做出响应。

参考资料

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