Java スレッドの例外処理メカニズムとは何ですか?

WBOY
リリース: 2023-04-21 21:37:06
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    まえがき

    Java プログラムを開始するということは、基本的に Java クラスの main メソッドを実行することです。無限ループ プログラムを作成して実行し、jvisualvm を実行して観察します。

    Java スレッドの例外処理メカニズムとは何ですか?

    この中に合計 11 個のスレッドがあることがわかります。 Java プロセスには、10 個のデーモン スレッドと 1 個のユーザー スレッドがあります。 main メソッドのコードは、main という名前のスレッドで実行されます。 Java プロセスで実行されているすべてのスレッドがデーモン スレッドである場合、JVM は終了します。

    シングルスレッドのシナリオでは、コードが特定の場所に実行されたときに例外がスローされた場合、例外スタック情報がコンソールに出力されます。ただし、マルチスレッドのシナリオでは、サブスレッドで発生した例外が必ずしもタイムリーに例外情報を出力するとは限りません。

    私は仕事中にこの問題に遭遇したことがあります。

    CompletableFuture.runAsync を使用して時間のかかるタスクを非同期に処理するときに、タスクの処理中に例外が発生しましたが、ログには例外に関する情報がありませんでした。 。久しぶりにスレッドにおける例外処理の仕組みを見直し、スレッドの動作原理について理解を深めたので記録します。

    スレッドの例外処理メカニズム

    Java プログラムを実行するには、まず Java ソース コードが

    javac を通じてクラス バイトコード ファイルにコンパイルされ、次にJVM クラス ファイルをロードして解析し、メイン クラスの main メソッドから実行を開始します。スレッドが動作中に uncaughtException をスローすると、JVM は例外処理のためにスレッド オブジェクトの dispatchUncaughtException メソッドを呼び出します。

    // Thread类中
    private void dispatchUncaughtException(Throwable e) {
            getUncaughtExceptionHandler().uncaughtException(this, e);
    }
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    ソース コードは理解しやすいので、まず

    UncaughtExceptionHandler 例外ハンドラーを取得し、この例外ハンドラーの uncaughtException メソッドを呼び出して例外を処理します。 (以下では、UncaughtExceptionHandler を表すために、省略形 ueh が使用されています)

    ueh とは何ですか?実際、これは Thread 内で定義されたインターフェイスであり、例外処理に使用されます。

        @FunctionalInterface
        public interface UncaughtExceptionHandler {
            /**
             * Method invoked when the given thread terminates due to the
             * given uncaught exception.
             * <p>Any exception thrown by this method will be ignored by the
             * Java Virtual Machine.
             * @param t the thread
             * @param e the exception
             */
            void uncaughtException(Thread t, Throwable e);
        }
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    Thread オブジェクトの getUncaughtExceptionHandler メソッドを見てみましょう。

    	public UncaughtExceptionHandler getUncaughtExceptionHandler() {
            return uncaughtExceptionHandler != null ?
                uncaughtExceptionHandler : group;
        }
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    まず、現在の

    Threadオブジェクトには設定があります カスタム ueh オブジェクトがある場合は、例外が処理されます。それ以外の場合は、現在の Thread オブジェクトが属するスレッド グループ (ThreadGroup)例外を処理します。オープン ソース コードをクリックすると、ThreadGroup クラス自体が Thread.UncaughtExceptionHandler インターフェイスを実装していることが簡単にわかります。これは、ThreadGroup 自体が例外であることを意味します。ハンドラ。

    public class ThreadGroup implements Thread.UncaughtExceptionHandler {
        private final ThreadGroup parent;
        ....
    }
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    main メソッドで例外をスローするとします。main スレッドにカスタム ueh オブジェクト セットがない場合、ハンドオーバーは例外は、main スレッドが属する ThreadGroup によって処理されます。 ThreadGroup が例外をどのように処理するかを見てみましょう:

        public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
            if (parent != null) {
                parent.uncaughtException(t, e);
            } else {
                Thread.UncaughtExceptionHandler ueh =
                    Thread.getDefaultUncaughtExceptionHandler();
                if (ueh != null) {
                    ueh.uncaughtException(t, e);
                } else if (!(e instanceof ThreadDeath)) {
                    System.err.print("Exception in thread \""
                                     + t.getName() + "\" ");
                    e.printStackTrace(System.err);
                }
            }
        }
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    ソース コードのこの部分も比較的短いです。 1 つ目は、現在の

    ThreadGroup に親の ThreadGroup があるかどうかを確認することです。存在する場合は、例外処理のために親の ThreadGroup を呼び出します。それ以外の場合は、静的メソッド Thread.getDefaultUncaughtExceptionHandler() を呼び出して、default ueh オブジェクトを取得します。

    default ueh オブジェクトが空でない場合は、このデフォルトの ueh オブジェクトが例外処理を実行します。それ以外の場合は、例外が ThreadDeath、現在のスレッドの 名と例外スタック情報 標準エラー出力 (System.err) を通じてコン​​ソールに直接出力します。 。

    main メソッドを実行して、スレッドの状況を確認します。

    Java スレッドの例外処理メカニズムとは何ですか?

    Java スレッドの例外処理メカニズムとは何ですか?

    したがって、

    main スレッドは、main という名前の ThreadGroup に属しており、この main# の ThreadGroup であることがわかります。 ##、その親 ThreadGroupsystem という名前ですが、この systemThreadGroup には親がなく、ルート スレッドグループ

    main

    スレッドでスローされたキャッチされなかった例外は、最終的に例外処理のために system という名前の ThreadGroup に渡されることがわかります。 、defaultueh オブジェクトが設定されていないため、例外情報は System.err を通じてコン​​ソールに出力されます。 次に、最も簡単な方法で

    main

    スレッドにサブスレッド (new Thread) を作成し、サブスレッドに-thread スレッドに例外をスローしてそれを観察できるコードを作成します<div class="code" style="position:relative; padding:0px; margin:0px;"><pre class="brush:java;"> public static void main(String[] args) { Thread thread = new Thread(() -&gt; { System.out.println(3 / 0); }); thread.start(); }</pre><div class="contentsignin">ログイン後にコピー</div></div><p><img src="https://img.php.cn/upload/article/000/887/227/168208422948065.png" alt="Java スレッドの例外処理メカニズムとは何ですか?" /></p><p>子线程中的异常信息被打印到了控制台。异常处理的流程就是我们上面描述的那样。</p><h4>小结</h4><p>所以,正常来说,如果没有对某个线程设置特定的<code>ueh对象;也没有调用静态方法Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler设置全局默认ueh对象。那么,在任意一个线程的运行过程中抛出未捕获异常时,异常信息都会被输出到控制台(当异常是ThreadDeath时则不会进行输出,但通常来说,异常都不是ThreadDeath,不过这个细节要注意下)。

    如何设置自定义的ueh对象来进行异常处理?根据上面的分析可知,有2种方式

    • 对某一个Thread对象,调用其setUncaughtExceptionHandler方法,设置一个ueh对象。注意这个ueh对象只对这个线程起作用

    • 调用静态方法Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler()设置一个全局默认ueh对象。这样设置的ueh对象会对所有线程起作用

    当然,由于ThreadGroup本身可以充当ueh,所以其实还可以实现一个ThreadGroup子类,重写其uncaughtException方法进行异常处理。

    若一个线程没有进行任何设置,当在这个线程内抛出异常后,默认会将线程名称和异常堆栈,通过System.err进行输出。

    线程池场景下的异常处理

    在实际的开发中,我们经常会使用线程池来进行多线程的管理和控制,而不是通过new来手动创建Thread对象。

    对于Java中的线程池ThreadPoolExecutor,我们知道,通常来说有两种方式,可以向线程池提交任务:

    • execute

    • submit

    其中execute方法没有返回值,我们通过execute提交的任务,只需要提交该任务给线程池执行,而不需要获取任务的执行结果。而submit方法,会返回一个Future对象,我们通过submit提交的任务,可以通过这个Future对象,拿到任务的执行结果。

    我们分别尝试如下代码:

        public static void main(String[] args)  {
            ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();
            threadPool.execute(() -> {
                System.out.println(3 / 0);
            });
        }
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        public static void main(String[] args)  {
            ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();
            threadPool.submit(() -> {
                System.out.println(3 / 0);
            });
        }
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    容易得到如下结果:

    通过execute方法提交的任务,异常信息被打印到控制台;通过submit方法提交的任务,没有出现异常信息。

    我们稍微跟一下ThreadPoolExecutor的源码,当使用execute方法提交任务时,在runWorker方法中,会执行到下图红框的部分

    Java スレッドの例外処理メカニズムとは何ですか?

    Java スレッドの例外処理メカニズムとは何ですか?

    在上面的代码执行完毕后,由于异常被throw了出来,所以会由JVM捕捉到,并调用当前子线程dispatchUncaughtException方法进行处理,根据上面的分析,最终异常堆栈会被打印到控制台。

    多扯几句别的。

    上面跟源码时,注意到WorkerThreadPoolExecutor的一个内部类,也就是说,每个Worker都会隐式的持有ThreadPoolExecutor对象的引用(内部类的相关原理请自行补课)。每个Worker在运行时(在不同的子线程中运行)都能够对ThreadPoolExecutor对象(通常来说这个对象是在main线程中被维护)中的属性进行访问和修改。Worker实现了Runnable接口,并且其run方法实际是调用的ThreadPoolExecutor上的runWorker方法。在新建一个Worker时,会创建一个新的Thread对象,并把当前Worker的引用传递给这个Thread对象,随后调用这个Thread对象的start方法,则开始在这个Thread中(子线程中)运行这个Worker

            Worker(Runnable firstTask) {
                setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
                this.firstTask = firstTask;
                this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
            }
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    ThreadPoolExecutor中的addWorker方法

    Java スレッドの例外処理メカニズムとは何ですか?

    再次跟源码时,加深了对ThreadPoolExecutorWorker体系的理解和认识。

    它们之间有一种嵌套依赖的关系。每个Worker里持有一个Thread对象,这个Thread对象又是以这个Worker对象作为Runnable,而Worker又是ThreadPoolExecutor的内部类,这意味着每个Worker对象都会隐式的持有其所属的ThreadPoolExecutor对象的引用。每个Workerrun方法, 都跑在子线程中,但是这些Worker跑在子线程中时,能够对ThreadPoolExecutor对象的属性进行访问和修改(每个Workerrun方法都是调用的runWorker,所以runWorker方法是跑在子线程中的,这个方法中会对线程池的状态进行访问和修改,比如当前子线程运行过程中抛出异常时,会从ThreadPoolExecutor中移除当前Worker,并启一个新的Worker)。而通常来说,ThreadPoolExecutor对象的引用,我们通常是在主线程中进行维护的。

    反正就是这中间其实有点骚东西,没那么简单。需要多跟几次源码,多自己打断点进行debug,debug过程中可以通过IDEA的Evaluate Expression功能实时观察当前方法执行时所处的线程环境(Thread.currentThread)。

    扯得有点远了,现在回到正题。上面说了调用ThreadPoolExecutor中的execute方法提交任务,子线程中出现异常时,异常会被抛出,打印在控制台,并且当前Worker会被线程池回收,并重启一个新的Worker作为替代。那么,调用submit时,异常为何就没有被打印到控制台呢?

    我们看一下源码:

        public Future<?> submit(Runnable task) {
            if (task == null) throw new NullPointerException();
            RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
            execute(ftask);
            return ftask;
        }
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        protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) {
            return new FutureTask<T>(runnable, value);
        }
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    通过调用submit提交的任务,被包装了成了一个FutureTask对象,随后会将这个FutureTask对象,通过execute方法提交给线程池,并返回FutureTask对象给主线程的调用者。

    也就是说,submit方法实际做了这几件事

    • 将提交的Runnable,包装成FutureTask

    • 调用execute方法提交这个FutureTask(实际还是通过execute提交的任务)

    • FutureTask作为返回值,返回给主线程的调用者

    关键就在于FutureTask,我们来看一下

        public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
            this.callable = Executors.callable(runnable, result);
            this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
        }
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        // Executors中
    	public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
            if (task == null)
                throw new NullPointerException();
            return new RunnableAdapter<T>(task, result);
        }
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        static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {
            final Runnable task;
            final T result;
            RunnableAdapter(Runnable task, T result) {
                this.task = task;
                this.result = result;
            }
            public T call() {
                task.run();
                return result;
            }
        }
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    通过submit方法传入的Runnable,通过一个适配器RunnableAdapter转化为了Callable对象,并最终包装成为一个FutureTask对象。这个FutureTask,又实现了RunnableFuture接口

    Java スレッドの例外処理メカニズムとは何ですか?

    于是我们看下FutureTaskrun方法(因为最终是将包装后的FutureTask提交给线程池执行,所以最终会执行FutureTaskrun方法)

    Java スレッドの例外処理メカニズムとは何ですか?

        protected void setException(Throwable t) {
            if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
                outcome = t;
                UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state
                finishCompletion();
            }
        }
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    可以看到,异常信息只是被简单的设置到了FutureTaskoutcome字段上。并没有往外抛,所以这里其实相当于把异常给生吞了catch块中捕捉到异常后,既没有打印异常的堆栈,也没有把异常继续往外throw。所以我们无法在控制台看到异常信息,在实际的项目中,此种场景下的异常信息也不会被输出到日志文件。这一点要特别注意,会加大问题的排查难度。

    那么,为什么要这样处理呢?

    因为我们通过submit提交任务时,会拿到一个Future对象

        public Future<?> submit(Runnable task) {
            if (task == null) throw new NullPointerException();
            RunnableFuture<Void> ftask = newTaskFor(task, null);
            execute(ftask);
            return ftask;
        }
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    我们可以在稍后,通过Future对象,来获知任务的执行情况,包括任务是否成功执行完毕,任务执行后返回的结果是什么,执行过程中是否出现异常。

    所以,通过submit提交的任务,实际会把任务的各种状态信息,都封装在FutureTask对象中。当最后调用FutureTask对象上的get方法,尝试获取任务执行结果时,才能够看到异常信息被打印出来。

        public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
            int s = state;
            if (s <= COMPLETING)
                s = awaitDone(false, 0L);
            return report(s);
        }
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        private V report(int s) throws ExecutionException {
            Object x = outcome;
            if (s == NORMAL)
                return (V)x;
            if (s >= CANCELLED)
                throw new CancellationException();
            throw new ExecutionException((Throwable)x); // 异常会通过这一句被抛出来
        }
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    小结

    • 通过ThreadPoolExecutorexecute方法提交的任务,出现异常后,异常会在子线程中被抛出,并被JVM捕获,并调用子线程的dispatchUncaughtException方法,进行异常处理,若子线程没有任何特殊设置,则异常堆栈会被输出到System.err,即异常会被打印到控制台上。并且会从线程池中移除当前Worker,并另启一个新的Worker作为替代。

    • 通过ThreadPoolExecutorsubmit方法提交的任务,任务会先被包装成FutureTask对象,出现异常后,异常会被生吞,并暂存到FutureTask对象中,作为任务执行结果的一部分。异常信息不会被打印该子线程也不会被线程池移除(因为异常在子线程中被吞了,没有抛出来)。在调用FutureTask上的get方法时(此时一般是在主线程中了),异常才会被抛出,触发主线程的异常处理,并输出到System.err

    其他

    其他的线程池场景

    比如:

    • 使用ScheduledThreadPoolExecutor实现延迟任务或者定时任务(周期任务),分析过程也是类似。这里给个简单结论,当调用scheduleAtFixedRate方法执行一个周期任务时(任务会被包装成FutureTask (实际是ScheduledFutureTask ,是FutureTask 的子类)),若周期任务中出现异常,异常会被生吞,异常信息不会被打印,线程不会被回收,但是周期任务执行这一次后就不会继续执行了。ScheduledThreadPoolExecutor继承了ThreadPoolExecutor,所以其也是复用了ThreadPoolExecutor的那一套逻辑。

    • 使用CompletableFuture runAsync 提交任务,底层是通过ForkJoinPool 线程池进行执行,任务会被包装成AsyncRun ,且会返回一个CompletableFuture 给主线程。当任务出现异常时,处理方式和ThreadPoolExecutor 的submit 类似,异常堆栈不会被打印。只有在CompletableFuture 上调用get 方法尝试获取结果时,异常才会被打印。

    以上がJava スレッドの例外処理メカニズムとは何ですか?の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。

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    ソース:yisu.com
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