指北 | 聊聊中斷機制

什麼是中斷

---

中斷實際上是一種「中斷」事件，中斷具體表明什麼意思須要考慮它所處的上下文環境和參照對象是誰。考慮事件，咱們能夠簡單把中斷抽象爲這樣一種模型：

當咱們分析某種中斷事件時，咱們須要搞清楚這四個對象：

中斷源

• 中斷源是誰
• 中斷源在什麼條件下觸發中斷
• 中斷源如何觸發

中斷信號

• 信號具體指的是什麼
• 信號是否須要存儲
• 如何存儲

中斷控制器

• 中斷信號的管理

好比說中斷源發送的信號是否屏蔽，信號是否可被中斷處理器重複處理，信號的處理是否有優先級...

中斷處理器

• 如何獲取到信號
• 拿到信號作什麼樣的操做
• 處理完信號後作什麼樣的操做

在實際的中斷事件中，並不必定恰好有上面提到的這四類對象，可能更復雜可能更簡單化。可是當咱們考慮中斷事件時，須要明確應該有相似功能的「對象」承擔這樣的邏輯。

下面咱們主要圍繞操做系統的中斷機制，Java的中斷機制，如何設計一個異步線程間的中斷系統這三部分簡單探討下。

操做系統的中斷機制

---

與操做系統有關的中斷，一般是指：程序在執行過程當中，遇到急需處理的事件時，暫時停止CPU上現行程序的運行， 轉去執行相應的事件處理程序，待處理完成 後再返回原程序被中斷處或調度其餘程序執行的過程。

按照中斷事件自己的不一樣，能夠劃分爲處理器以外的中斷事件，異常,系統異常。

處理器以外的中斷事件

指由外圍設備發出的信號引發的，與當前運行指令無關的中斷事件。示意圖以下：

咱們分別以上述四個對象來看：

• 中斷源

中斷源：外部設備，如打印機，鍵盤，鼠標等。

觸發條件：如外圍設備報告I/O狀態的I/O中斷；外圍設備發出的對應信號中斷，如時鐘中斷，鍵盤/鼠標對應信號的中斷，關機/重啓動中斷等。

觸發方式：由外部設備向中斷控制器發出中斷請求IRQ。

• 中斷信號

也就是說中斷源通知給中斷控制器的是什麼。

能夠是經過一條信號線上產生特定的電平（利用高低電平表示是否中斷兩種狀態），也能夠在總線上發送特定消息或者消息序列，也能夠是在中斷寄存器中設置已發生的中斷狀態等。

• 中斷控制器

CPU中的一個控制部件，包括 中斷控制邏輯線路和中斷寄存器。負責中斷的發現和響應。

也就是說負責檢查中斷寄存器中的中斷信號，當發現中斷時讓CPU切換當前進程程序，去處理中斷程序。響應示意圖以下：

• 中斷處理器

指的是CPU接收到不一樣的中斷信號該怎麼處理。包括「中斷處理過程」和「恢復正常操做」兩部分。

1.中斷處理過程

首先CPU須要將當前運行進程的上下文保存，從中斷進程中分析PSW，肯定對應的中斷源和執行對應的中斷處理程序。

小貼士：PSW（Program Status Word): 是指在電腦中，一段包含被操做系統使用的程序狀態信息的內存或硬件區域。通常用一個專門的寄存器來指示處理器狀態。能夠理解爲咱們上面提到的中斷信號存儲裝置.

2.恢復正常操做

當中斷程序執行完畢，接下來執行哪一個進程由進程調度決定，由調度策略決定是否調度到中斷執行前的進程。

較爲完整的中斷響應流程圖以下：

異常 和 系統異常 這兩類中斷事件主要屬於處理器執行特定的指令引發的中斷事件。和上述硬件外圍設備引發的中斷事件的中斷源不一樣，中斷的發起，控制和處理主要是由操做系統的指令邏輯和線路來承擔。是一種同步的處理操做，而外部中斷是由外部設備發起，是一種異步的處理操做。下面咱們簡要介紹下。

異常

異常指當前運行指令引發的中斷事件。包括錯誤狀況引發的故障，如除零算數錯誤，缺頁異常；也包括不可恢復的致命錯誤致使的終止，一般是一些硬件錯誤。

• 異常的處理

對於故障的處理，根據故障是否可以被恢復，故障處理程序要麼從新執行引發故障的指令，要麼終止。

對於終止的處理，處理程序將控制返回給一個abort例程，該例程會終止這個應用程序。

系統異常

系統異常指執行陷入指令而觸發系統調用引發的中斷事件，如請求設備、請求I/O、建立進程等。

• 系統調用的處理

這種有意的異常，稱爲陷阱處理。處理完成後陷阱程序會將控制返回給應用程序控制流的下一條指令。

總結一下，操做系統的中斷類別行爲以下：

好了，大頭總算完了。由於小姐姐主要是Java碼農，下面將主要介紹和Java相關的中斷語義是什麼。

Java的中斷機制

---

理解了上面操做系統的中斷以後，Java的中斷機制就很easy了 :D

Java中斷指的是 A線程發送中斷信號給B線程，B線程再根據本身當前執行程序中的中斷處理邏輯決定如何響應。嗯，就這麼簡單～

咱們來稍微分析一下中斷事件中的「四個對象」：

• 中斷源

中斷源：A線程

中斷觸發條件：A線程說了算

中斷源觸發方式：A線程中調用threadB#interrupt()方法.

實現機制也不難，扯淡以前咱們先思考兩個問題：

問：

問題1: 線程之間如何通訊，A線程的中斷信號怎麼才能傳給線程B？

問題2: 線程的狀態有Running，Blocked，Waiting等，當線程B處在不一樣的狀態下，如何響應中斷信號？

答：

問題1：這種狀況下線程之間通訊用共享內存就能夠了。只須要給每一個線程都設置一個中斷標示位, 這樣A線程中調用threadB#interrupt()方法，實際操做是把B線程的中斷標示位設置爲true。信號就算傳遞過去了

問題2:當B線程處於非阻塞狀態時，B線程能夠在本身須要處理中斷邏輯的地方判斷中斷標示位是否爲true，就能夠響應處理中斷。

可是當B線程處於阻塞狀態時，這特麼怎麼查本身的中斷標示位啊？

JVM幫幫忙，當B線程阻塞在Object#wait(),Thread#join(),Thread#sleep()，實現了InterruptibleChannel接口的IO操做 和Selector接口的select()這些操做時，JVM會讓B線程立刻拋出異常或被喚醒，從而讓B線程能夠選擇是否響應中斷。

由於是Java實現的中斷機制，中斷標示位的設置也是JVM幫作的。

• 中斷信號

信號：線程的中斷標示位。

存儲方式：JVM說了算。

• 中斷控制器

JVM控制了信號的存儲和讓線程B及時喚醒。線程B控制了本身的中斷響應邏輯，什麼時候響應，如何響應。

• 中斷處理器

獲取信號：B線程可經過調用threadB#isInterrupted()方法得知本身是否被中斷，也就是經過本身主動拉取信號（poll方式）。

如何處理信號：B線程說了算。

處理完信號後作什麼：B線程說了算。

Java的線程中斷機制設計的比較靈活，使用者能夠決定中斷處理的較多事情。

總結下Java中和中斷有關的方法：

在JDK中，線程池的ThreadPoolExecutor#shutdownNow()方法就是調用workers線程數組中每一個worker線程的interrupt()方法來關閉線程池。

這樣暴力關閉線程會存在一個問題，線程池並不知道worker線程的中斷執行狀況，若是worker線程忽略了中斷信號，那可能致使當前任務還在執行，發生意想不到的結果。

設計一個異步線程間的中斷系統

---

咱們再來看Java的中斷機制，它其實只是提供了A線程給B線程發送中斷信號。

• A線程並不能知道B線程的中斷處理結果。
• 若是A線程拿不到B線程的thread對象時，也就無法發送中斷信號。

考慮這麼一種場景：當咱們執行一個大任務Task1時，它太大了。咱們把它分爲Task2和Task3，丟進線程池中處理。它們一樣很大，咱們把他們分別分爲Task4，Task5和Task6，Task7,一樣丟進線程池中處理。

若是此時咱們想取消task1的執行，如何保證圖中全部的worker都成功取消對應task的執行？

• 需求分析

當咱們取消task1時，想要作的是取消全部task程序的繼續運行，而且可以得到全部task程序的取消結果。

爲何要強調task程序呢？由於worker可能並非只爲一個task工做啊..好比task2的worker，它把task4和task5丟進線程池，就算完事了。若是咱們把取消task1變爲取消task1的worker線程，可能會致使worker線程當前運行的非task1程序的失敗。

咱們不太容易知道全部task程序當前運行的線程，咱們還須要知道全部task程序的運行結果。

• 設計思路

只用Java的中斷機制是知足不了咱們的需求的，可是咱們能夠借鑑它的思路：

1.它用中斷標示位記錄線程是否應該中斷

2.當線程阻塞時能夠拋出異常

咱們這裏要終止的是全部task程序的執行，因此咱們須要設計與task 強綁定的中斷標示位，能夠有未中斷,中斷中,中斷成功，中斷失敗四種 狀態。爲了讓全部的線程均可以訪問到，定義成全局共享變量就能夠。

中斷源和中斷處理器之間經過task的中斷標示位來通訊就能夠。若是運行task程序的線程一直在阻塞，怎麼喚醒它讓它判斷中斷狀態 呢？

對於咱們這個場景，咱們很難知道當前運行task程序的阻塞線程是誰。。能作的只是多安插中斷判斷點，這樣當阻塞線程醒來後，再次判斷task 的中斷標示位，就能夠響應中斷了。

另：

喚醒一個線程只有Java的中斷機制能夠作，可是若是當前worker不是你能管理的線程池，那麼它的中斷處理邏輯就控制不了。

若是你能控制運行task的全部worker，並且worker在執行task時是同步得到結果的。那麼能夠結合與task強綁定的中斷標示位和Java中斷機制來作，這裏前者的做用更可能是充當獲取到任務的中斷結果的做用。