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JDK源码阅读-InterruptibleChannel与可中断IO

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() 和 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() 和 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() 和 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);
}

从 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 JavaLangAccess 的 blockedOn 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();
}

线程中断是如何触发IO中断的时序图：

JDK源码阅读-InterruptibleChannel与可中断IO

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：

JDK源码阅读-InterruptibleChannel与可中断IO

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：

A线程read，B线程中断A线程：A线程抛出ClosedByInterruptException异常
A，B线程read，C线程中断A线程
```
ensureOpen
end
```

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。