14.3 堵塞
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“掷”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础类。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 衍生出来的。 在 Blockable 中，变动指示符是一个 int i；衍生类的 run()方法会为其增值。
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。
- 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。
- 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。
- 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础类 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础类的一部分——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。
- 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。
- 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”造型了）。
Blockable 指针 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。
- 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（“被破坏”），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）的指针就会设为 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。