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Java 入门指南：并发设计模式 —— 两端终止模式

article 2024/11/20 11:23:50

文章目录

- 基本思想
- - 第一阶段：钩子阶段
  - - 实现方法：
  - 第二阶段：屏障阶段
  - - 实现方法：
  - 实现两段终止模式的步骤
- 示例代码
- 注意事项

Java中的两段终止模式（Two-phase termination pattern），通常称为“钩子-屏障”模式（hook-barrier pattern），是一种用于优雅地安全关闭应用程序的技术。

这种模式旨在确保在应用程序正常关闭时，所有线程都能够正确地进行清理工作，避免资源泄露和其他潜在的问题。尤其是在处理资源密集型任务（如文件I/O、数据库连接等）时尤为重要。

基本思想

两段终止模式通常包括以下几个关键步骤：

第一阶段（钩子阶段）：通知所有线程准备关闭，并执行必要的清理工作。
第二阶段（屏障阶段）：等待所有线程完成清理工作后，最终关闭应用程序。

第一阶段：钩子阶段

在这一阶段，主要目标是通知所有正在运行的线程，应用程序即将关闭，并要求它们开始执行清理操作。这通常通过设置一个共享标志来实现，该标志告诉所有线程应该停止其正常工作并进入清理阶段。

关键步骤：

停止接受新的任务或请求。
完成当前正在执行的任务。
通知依赖的系统或服务，表明即将关闭。
开始清理不再需要的资源，如数据库连接、文件句柄等。

实现方法：

共享标志：设置一个全局的布尔变量，表示是否请求了关闭。
中断线程：使用 Thread.interrupt() 来中断线程，这通常用于那些长时间阻塞的线程。
关闭钩子：使用 Runtime.addShutdownHook 添加一个关闭钩子，该钩子会在JVM关闭前被调用。

第二阶段：屏障阶段

在这一阶段，主程序会等待所有线程完成清理工作。如果某些线程未能在指定时间内完成清理，可能需要采取进一步的措施来强制关闭这些线程。

关键步骤：

停止所有活动，确保没有任何线程或进程仍在运行。
彻底释放和关闭所有资源。
保存必要的状态信息，以便将来恢复。
执行必要的日志记录，确保关闭过程的可追踪性。
退出应用，返回操作系统或父进程的控制。

实现方法：

等待线程池关闭：使用 ExecutorService 的 awaitTermination 方法等待所有任务完成。
超时处理：如果等待超时，则可以使用 shutdownNow 方法立即停止所有线程，并清除未完成的任务。

实现两段终止模式的步骤

定义状态变量：使用一个或多个状态变量来跟踪应用的关闭状态（如 isShuttingDown）。
实现准备阶段逻辑：在准备阶段，应用应停止接受新任务，完成当前任务，并清理不必要的资源。这通常涉及对应用架构的深入了解，以确保所有组件都能正确响应关闭信号。
实现终止阶段逻辑：在终止阶段，应用应停止所有活动，彻底释放资源，并保存必要的状态信息。这可能需要协调多个组件和服务的关闭顺序，以确保没有资源竞争或数据不一致的情况。
处理异常和错误：在关闭过程中，可能会遇到各种异常和错误。应用应能够优雅地处理这些情况，并记录足够的信息以便进行故障排除。
测试验证：在开发过程中，应对关闭流程进行彻底的测试，以验证其正确性和健壮性。这包括模拟各种可能的关闭场景和异常情况。

示例代码

下面是一个完整的示例，展示了如何在Java中实现两段终止模式：

public class TwoPhaseTerminationExample {

    private ExecutorService executorService;
    private volatile boolean shutdownRequested = false;

    public TwoPhaseTerminationExample() {
        executorService = Executors.newFixedThreadPool(5); // 创建一个固定大小的线程池
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(this::shutdownHook));
    }

    private void shutdownHook() {
        System.out.println("开始关闭钩子...");
        shutdownRequested = true; // 标记为请求关闭
        notifyWorkers(); // 通知所有正在工作的线程
        executorService.shutdown(); // 关闭线程池
        try {
            if (!executorService.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS)) {
                System.err.println("超时，强制关闭...");
                executorService.shutdownNow();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            System.err.println("等待线程池关闭时被中断...");
            Thread.currentThread().interrupt();
            executorService.shutdownNow();
        }
        System.out.println("关闭钩子执行完毕...");
    }

    private void notifyWorkers() {
        // 通知所有正在工作的线程
        executorService.submit(() -> {
            while (!shutdownRequested) {
                // 工作线程在这里执行任务...
                try {
                    Thread.sleep(1000); // 模拟任务执行
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                    System.out.println("任务线程被中断，停止执行...");
                    break;
                }
            }
            System.out.println("任务线程收到关闭信号，开始清理...");
            // 清理操作
        });
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TwoPhaseTerminationExample example = new TwoPhaseTerminationExample();
        Thread.sleep(5000); // 模拟应用程序运行一段时间
        System.out.println("请求关闭应用程序...");
        System.exit(0); // 触发关闭钩子
    }
}