什么是中斷

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中斷其實是一種“中斷”事件，中斷具體代表什么意思需要考慮它所處的上下文環境和參照對象是誰。考慮事件，我們可以簡單把中斷抽象為這樣一種模型：

當我們分析某種中斷事件時，我們需要搞清楚這四個對象：

中斷源

• 中斷源是誰
• 中斷源在什么條件下觸發中斷
• 中斷源如何觸發

中斷信號

• 信號具體指的是什么
• 信號是否需要存儲
• 如何存儲

中斷控制器

• 中斷信號的管理

比如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復處理，信號的處理是否有優先級...

中斷處理器

• 如何獲取到信號
• 拿到信號做什么樣的操作
• 處理完信號后做什么樣的操作

在實際的中斷事件中，并不一定剛好有上面提到的這四類對象，可能更復雜可能更簡單化。但是當我們考慮中斷事件時，需要明確應該有類似功能的“對象”承擔這樣的邏輯。

下面我們主要圍繞操作系統的中斷機制，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。

操作系統的中斷機制

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與操作系統有關的中斷，通常是指：程序在執行過程中，遇到急需處理的事件時，暫時中止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 后再返回原程序被中斷處或調度其他程序執行的過程。

按照中斷事件本身的不同，可以劃分為處理器之外的中斷事件，異常,系統異常。

處理器之外的中斷事件

指由外圍設備發出的信號引起的，與當前運行指令無關的中斷事件。示意圖如下：

我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/重啟動中斷等。

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么。

可以是通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)，也可以在總線上發送特定消息或者消息序列，也可以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。響應示意圖如下：

• 中斷處理器

指的是CPU接收到不同的中斷信號該怎么處理。包括“中斷處理過程”和“恢復正常操作”兩部分。

1.中斷處理過程

首先CPU需要將當前運行進程的上下文保存，從中斷進程中分析PSW，確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，一段包含被操作系統使用的程序狀態信息的內存或硬件區域。一般用一個專門的寄存器來指示處理器狀態。可以理解為我們上面提到的中斷信號存儲裝置.

2.恢復正常操作

當中斷程序執行完畢，接下來執行哪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。

較為完整的中斷響應流程圖如下：

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

異常

異常指當前運行指令引起的中斷事件。包括錯誤情況引起的故障，如除零算數錯誤，缺頁異常；也包括不可恢復的致命錯誤導致的終止，通常是一些硬件錯誤。

• 異常的處理

對于故障的處理，根據故障是否能夠被恢復，故障處理程序要么重新執行引起故障的指令，要么終止。

對于終止的處理，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起的中斷事件，如請求設備、請求I/O、創建進程等。

• 系統調用的處理

這種有意的異常，稱為陷阱處理。處理完成后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，操作系統的中斷類別行為如下：

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

Java的中斷機制

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理解了上面操作系統的中斷之后，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線程再根據自己當前執行程序中的中斷處理邏輯決定如何響應。嗯，就這么簡單～

我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，扯淡之前我們先思考兩個問題：

問：

問題1: 線程之間如何通信，A線程的中斷信號怎么才能傳給線程B？

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

答：

問題1：這種情況下線程之間通信用共享內存就可以了。只需要給每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，實際操作是把B線程的中斷標示位設置為true。信號就算傳遞過去了

問題2:當B線程處于非阻塞狀態時，B線程可以在自己需要處理中斷邏輯的地方判斷中斷標示位是否為true，就可以響應處理中斷。

但是當B線程處于阻塞狀態時，這特么怎么查自己的中斷標示位啊？

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操作 和Selector接口的select()這些操作時，JVM會讓B線程馬上拋出異常或被喚醒，從而讓B線程可以選擇是否響應中斷。

因為是Java實現的中斷機制，中斷標示位的設置也是JVM幫做的。

• 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控制了自己的中斷響應邏輯，何時響應，如何響應。

• 中斷處理器

獲取信號：B線程可通過調用threadB#isInterrupted()方法得知自己是否被中斷，也就是通過自己主動拉取信號(poll方式)。

如何處理信號：B線程說了算。

處理完信號后做什么：B線程說了算。

Java的線程中斷機制設計的比較靈活，使用者可以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，線程池并不知道worker線程的中斷執行情況，如果worker線程忽略了中斷信號，那可能導致當前任務還在執行，發生意想不到的結果。

設計一個異步線程間的中斷系統

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我們再來看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線程并不能知道B線程的中斷處理結果。
• 如果A線程拿不到B線程的thread對象時，也就沒法發送中斷信號。

考慮這么一種場景：當我們執行一個大任務Task1時，它太大了。我們把它分為Task2和Task3，丟進線程池中處理。它們同樣很大，我們把他們分別分為Task4，Task5和Task6，Task7,同樣丟進線程池中處理。

如果此時我們想取消task1的執行，如何保證圖中所有的worker都成功取消對應task的執行？

• 需求分析

當我們取消task1時，想要做的是取消所有task程序的繼續運行，并且能夠獲得所有task程序的取消結果。

為什么要強調task程序呢？因為worker可能并不是只為一個task工作啊..比如task2的worker，它把task4和task5丟進線程池，就算完事了。如果我們把取消task1變為取消task1的worker線程，可能會導致worker線程當前運行的非task1程序的失敗。

我們不太容易知道所有task程序當前運行的線程，我們還需要知道所有task程序的運行結果。

• 設計思路

只用Java的中斷機制是滿足不了我們的需求的，但是我們可以借鑒它的思路：

1.它用中斷標示位記錄線程是否應該中斷

2.當線程阻塞時可以拋出異常

我們這里要終止的是所有task程序的執行，所以我們需要設計與task 強綁定的中斷標示位，可以有未中斷,中斷中,中斷成功，中斷失敗四種 狀態。為了讓所有的線程都可以訪問到，定義成全局共享變量就可以。

中斷源和中斷處理器之間通過task的中斷標示位來通信就可以。如果運行task程序的線程一直在阻塞，怎么喚醒它讓它判斷中斷狀態 呢？

對于我們這個場景，我們很難知道當前運行task程序的阻塞線程是誰。。能做的只是多安插中斷判斷點，這樣當阻塞線程醒來后，再次判斷task 的中斷標示位，就可以響應中斷了。

另：

喚醒一個線程只有Java的中斷機制可以做，但是如果當前worker不是你能管理的線程池，那么它的中斷處理邏輯就控制不了。

如果你能控制運行task的所有worker，而且worker在執行task時是同步獲得結果的。那么可以結合與task強綁定的中斷標示位和Java中斷機制來做，這里前者的作用更多是充當獲取到任務的中斷結果的作用。

后記

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• 小姐姐覺得像是“事件處理”這種場景在線程池，消息中間件，流式處理等很多地方有共通之處，比如說：如何保證事件的exactly once，推拉模型，調度等等。
• 在寫這篇文章時，特別是操作系統的中斷機制，小姐姐也是現學現賣，并且參考了資料大部分內容。文章中有理解錯誤或者難懂的地方還請小伙伴幫我指出，一起交流進步。
• 最后的技術部分討論“如何設計一個異步線程間的中斷系統”，這是小姐姐目前工作中遇到的一個問題。這個問題和任務調度組件的取消任務很相似，只是我們目前還沒有用任務調度組件管理起所有的任務工作線程。小伙伴有更好方案的也請告知小姐姐。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的中断处理过程示意图_聊聊什么是中断机制？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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