如何理解線程池的狀態(tài)和工作線程數(shù)量

本篇內容介紹了“如何理解線程池的狀態(tài)和工作線程數(shù)量”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

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Java提供了幾種便捷的方法創(chuàng)建線程池，通過這些內置的api就能夠很輕松的創(chuàng)建線程池。在java.util.concurrent包中的Executors類，其中的靜態(tài)方法就是用來創(chuàng)建線程池的：

newFixedThreadPool()：創(chuàng)建一個固定線程數(shù)量的線程池，而且線程池中的任務全部執(zhí)行完成后，空閑的線程也不會被關閉。
newSingleThreadExecutor()：創(chuàng)建一個只有一個線程的線程池，空閑時也不會被關閉。
newCachedThreadPool()：創(chuàng)建一個可緩存的線程池，線程的數(shù)量為Integer.MAX_VALUE，空閑線程會臨時緩存下來，線程會等待60s還是沒有任務加入的話就會被關閉。

Executors類中還有一些創(chuàng)建線程池的方法（jdk8新加的），但是現(xiàn)在這個觸極到我的知識盲區(qū)了~~

如何理解線程池的狀態(tài)和工作線程數(shù)量

上面那幾個方法，其實都是創(chuàng)建了一個ThreadPoolExecutor對象作為返回值，要搞清楚線程池的原理主要還是要分析ThreadPoolExecutor這個類。

ThreadPoolExecutor的構造方法：

public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
      ...
    }

ThreadPoolExecutor的構造方法包含以下幾個參數(shù)：

corePoolSize：核心線程數(shù)量，常駐線程池中的線程，即時線程池中沒有任務可執(zhí)行，也不會被關閉。
maximumPoolSize：最大線程數(shù)量
keepAliveTime：空閑線程存活時間
unit：空閑線程存活時間的單位
workQueue：工作隊列，線程池一下忙不過來，那新來的任務就需要排隊，排除中的任務就會放在workQueue中
threadFactory：線程工廠，創(chuàng)建線程用的
handler：RejectedExecutionHandler實例用于在線程池中沒有空閑線程能夠執(zhí)行任務，并且workQueue中也容不下任務時拒絕任務時的策略。

ThreadPoolExecutor中的線程統(tǒng)稱為工作線程，但有一個小概念是核心線程，核心線程由參數(shù)corePoolSize指定，如corePoolSize設置5，那線程池中就會有5條線程常駐線程池中，不會被回收掉，但是也會有例外，如果allowCoreThreadTimeOut為true空閑一段時間后，也會被關閉。

線程的狀態(tài)和工作線程數(shù)量

線程中的狀態(tài)和工作線程和數(shù)量都是由ctl表示，是一個AtomicInteger類型的屬性：

 private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));

ctl的高四位為線程的狀態(tài)，其他位數(shù)為工作線程的數(shù)量，所以線程中最大的工作線程數(shù)量為(2^29)-1。

線程池中的狀態(tài)有五種：

RUNNING：接收新的任務和處理隊列中的任務
SHUTDOWN：不能新增任務，但是會繼續(xù)處理已經(jīng)添加的任務
STOP：不能新增任務，不會繼續(xù)處理已經(jīng)添加任務
TIDYING：所有的任務已經(jīng)被終止，工作線程為0
TERMINATED：terminated()方法執(zhí)行完成

狀態(tài)碼的定義如下：

    private final AtomicInteger ctl = new AtomicInteger(ctlOf(RUNNING, 0));
    private static final int COUNT_BITS = Integer.SIZE - 3;
    private static final int CAPACITY   = (1 &lt;&lt; COUNT_BITS) - 1;

    // runState is stored in the high-order bits
    private static final int RUNNING    = -1 &lt;&lt; COUNT_BITS;
    private static final int SHUTDOWN   =  0 &lt;&lt; COUNT_BITS;
    private static final int STOP       =  1 &lt;&lt; COUNT_BITS;
    private static final int TIDYING    =  2 &lt;&lt; COUNT_BITS;
    private static final int TERMINATED =  3 &lt;&lt; COUNT_BITS;

創(chuàng)建線程池

如果有面試官問：如何正確的創(chuàng)建線程池？千萬不要說使用Executors創(chuàng)建線程，雖然Executors能很方便的創(chuàng)建線程池，但是他提供的靜態(tài)創(chuàng)建方法會有一些坑。

主要的原因是：maximumPoolSize和workQueue這兩個參數(shù)

Executors靜態(tài)方法在創(chuàng)建線程池時，如果maximumPoolSize設置為Integer.MAX_VALUE，這樣會導致線程池可以一直要以接收運行任務，可能導致cpu負載過高。

workQueue是一個阻塞隊列的實例，用于放置正在等待執(zhí)行的任務。如果在創(chuàng)建線程種時workQueue實例沒有指定任務的容量，那么等待隊列中可以一直添加任務，極有可能導致oom。

所以創(chuàng)建線程，最好是根據(jù)線程池的用途，然后自己創(chuàng)建線程。

添加任務

調用線程池的execute并不是立即執(zhí)行任務，線程池內部用經(jīng)過一頓操作，如：判斷核心線程數(shù)、是否需要添加到等待隊列中。

下來的代碼是execute的源碼，代碼很簡潔只有2個if語句：

 public void execute(Runnable command) {
    int c = ctl.get();
    if (workerCountOf(c) &lt; corePoolSize) {
        if (addWorker(command, true))
            return;
        c = ctl.get();
    }
    if (isRunning(c) &amp;&amp; workQueue.offer(command)) {
        int recheck = ctl.get();
        if (! isRunning(recheck) &amp;&amp; remove(command))
            reject(command);
        else if (workerCountOf(recheck) == 0)
            addWorker(null, false);
    }
    else if (!addWorker(command, false))
        reject(command);
}

第一個if，如果當前線程池中的工作線程數(shù)量小于corePoolSize，直接創(chuàng)建一個工作線程執(zhí)行任務
第二個if，當線程池處于運行狀態(tài)，調用workQueue.offer(command)方法將任務添加到workQueue，否則調用addWorker(command, false)嘗試去添加一個工作線程。

整理了一張圖，把線程池分為三部分Core Worker、Worker、workQueue：

如何理解線程池的狀態(tài)和工作線程數(shù)量

換一種說法，在調用execute方法時，任務首先會放在Core Worker內，然后才是workQueue，最后才會考慮Worker。

這樣做的原因可以保證Core Worker中的任務執(zhí)行完成后，能立即從workQueue獲取下一個任務，而不需要啟動別的工作線程，用最少的工作線程辦更多的事。

創(chuàng)建工作線程

在execute方法中，有三個地方調用了addWorker。addWorker方法可以分為二部分：

增加工作線程數(shù)量
啟動工作線程

addWorker的方法簽名如下：

private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core)

firstTask：第一個運行的任務，可以為空。如果為空任務會從workQueue中獲取。
core：是否是核心工作線程

增加工作線程數(shù)量

    retry:
    for (;;) {
        int c = ctl.get();
        int rs = runStateOf(c);

     		....

        for (;;) {
            int wc = workerCountOf(c);
            
            if (wc &gt;= CAPACITY ||
                wc &gt;= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
                return false;
                
            if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
                break retry;
            c = ctl.get();  // Re-read ctl
            if (runStateOf(c) != rs)
                continue retry;
            // else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
        }
    }

上面代碼省略了一部分代碼，主要代碼都在for循環(huán)中，利用CAS鎖，安全的完成線程池狀態(tài)的檢查與增加工作線程的數(shù)量。其中的compareAndIncrementWorkerCount(c)調用就是將工作線程數(shù)量+1。

啟動工作線程

增加工作線程的數(shù)量后，緊接著就會啟動工作線程：

boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
    w = new Worker(firstTask);
    final Thread t = w.thread;
    if (t != null) {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            // Recheck while holding lock.
            // Back out on ThreadFactory failure or if
            // shut down before lock acquired.
            int rs = runStateOf(ctl.get());

            if (rs &lt; SHUTDOWN ||
                (rs == SHUTDOWN &amp;&amp; firstTask == null)) {
                if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
                    throw new IllegalThreadStateException();
                workers.add(w);
                int s = workers.size();
                if (s &gt; largestPoolSize)
                    largestPoolSize = s;
                workerAdded = true;
            }
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        if (workerAdded) {
            t.start();
            workerStarted = true;
        }
    }
} finally {
    if (! workerStarted)
        addWorkerFailed(w);
}

啟動工作線程的流程：

創(chuàng)建一個Worker實例, Worker構造方法會使用ThreadFactory創(chuàng)建一個線程

w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;

就不說Worker類的實現(xiàn)了，直接給出構造方法來細品：

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

如果線程池狀態(tài)是在運行中，或者已經(jīng)關閉，但工作線程要從workQueue中獲取任務，才能添加工作線程

if (rs &lt; SHUTDOWN ||
        (rs == SHUTDOWN &amp;&amp; firstTask == null)) {
        if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
            throw new IllegalThreadStateException();
        workers.add(w);
        int s = workers.size();
        if (s &gt; largestPoolSize)
            largestPoolSize = s;
        workerAdded = true;
    }

注意：：當線程池處于SHUTDOWN狀態(tài)時，它不能接收新的任務，但是可以繼續(xù)執(zhí)行未完成的任務。任務是否從workQueue中獲取，是根據(jù)firstTask判斷，每個Worker實例都有一個firstTask 屬性，如果這個值為null，工作線程啟動的時候就會從workQueue中獲取任務，否則會執(zhí)行firstTask 。

啟動線程

調用線程的start方法，啟動線程。

 if (workerAdded) {
    t.start();
    workerStarted = true;
}

執(zhí)行任務

回過頭來看一個Worker類的定義：

 private final class Worker extends AbstractQueuedSynchronizer
	implements Runnable{
		Worker(Runnable firstTask) {
            setState(-1); // inhibit interrupts until runWorker
            this.firstTask = firstTask;
            this.thread = getThreadFactory().newThread(this);
        }
      ...
}

Worker類實現(xiàn)了Runnable接口，同時在構造方法中會將this傳遞給線程，到這里你就知道了Worker實例中有run方法，它會在線程啟動后執(zhí)行：

public void run() {
   runWorker(this);
}

run方法內部接著調用runWorker方法運行任務，在這里才是真正的開始運行任務了：

 final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                w.lock();
                // If pool is stopping, ensure thread is interrupted;
                // if not, ensure thread is not interrupted.  This
                // requires a recheck in second case to deal with
                // shutdownNow race while clearing interrupt
                if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                     (Thread.interrupted() &amp;&amp;
                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &amp;&amp;
                    !wt.isInterrupted())
                    wt.interrupt();
                try {
                    beforeExecute(wt, task);
                    Throwable thrown = null;
                    try {
                        task.run();
                    } catch (RuntimeException x) {
                        thrown = x; throw x;
                    } catch (Error x) {
                        thrown = x; throw x;
                    } catch (Throwable x) {
                        thrown = x; throw new Error(x);
                    } finally {
                        afterExecute(task, thrown);
                    }
                } finally {
                    task = null;
                    w.completedTasks++;
                    w.unlock();
                }
            }
            completedAbruptly = false;
        } finally {
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }

獲取任務

首先將firstTask傳遞給task臨時變量：

Runnable task = w.firstTask;

然后循環(huán)檢查task或者從workQueue中獲取任務：

while (task != null || (task = getTask()) != null) {
	...
}

getTask()稍后再做分析。

運行任務

去掉一些狀態(tài)檢查、異常捕獲、和勾子方法調用后，保留最重要的調用task.run()：

 while (task != null || (task = getTask()) != null) {
     ...          
     task.run();
     ...
 }

task其實就是通過調用execute方法傳遞進來的Runnable實例，也就是你的任務。只不過它可能保存在Worker.firstTask中，或者在workQueue中，保存在哪里在前面的任務添加順序中已經(jīng)說明。

從workQueue中獲取任務

試想一下如果每個任務執(zhí)行完成，就關閉掉一個線程那有多浪費資源，這樣使用線程池也沒有多大的意義。所以線程的主要的功能就是線程復用，一旦任務執(zhí)行完成直接去獲取下一個任務，或者掛起線程等待下一個提交的任務，然后等待一段時間后還是沒有任務提交，然后才考慮是否關閉部分空閑的線程。

runWorker中會循環(huán)的獲取任務：

 while (task != null || (task = getTask()) != null) {
     ...          
     task.run();
     ...
 }

上面的代碼getTask()就是從workQueue中獲取任務：

  private Runnable getTask() {
        boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?

        for (;;) {
        			...
             int wc = workerCountOf(c);

            // Are workers subject to culling?
            boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc &gt; corePoolSize;
				 ...
            try {
                Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take();
                if (r != null)
                    return r;
                timedOut = true;
            } catch (InterruptedException retry) {
                timedOut = false;
            }
        }
    }

獲取任務的時候會有兩種方式：

超時等待獲取任務
一直等待任務，直到有新任務

如果allowCoreThreadTimeOut為true，corePoolSize指定的核心線程數(shù)量會被忽略，直接使用 workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) 獲取任務，否則的話會根據(jù)當前工作線程的數(shù)量，如果wc > corePoolSize為false則當前會被認為是核心線程，調用workQueue.take()一直等待任務。

工作線程的關閉

還是在runWorker方法中：

 final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
           
                  task.run();
                       
            }
                 
            completedAbruptly = false;   
        } finally {
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }

completedAbruptly變量：標記當前工作線程是正常執(zhí)行完成，還是異常完成的。completedAbruptly為false可以確定線程池中沒有可執(zhí)行的任務了。

上面代碼是簡潔后的代碼，一個while循環(huán)保證不間斷的獲取任務，沒有任務可以執(zhí)行（task為null）退出循環(huán)，最后再才會調用processWorkerExit方法：

 private void processWorkerExit(Worker w, boolean completedAbruptly) {
        if (completedAbruptly) // If abrupt, then workerCount wasn't adjusted
            decrementWorkerCount();

        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            completedTaskCount += w.completedTasks;
            workers.remove(w);
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }

        tryTerminate();

        int c = ctl.get();
        if (runStateLessThan(c, STOP)) {
            if (!completedAbruptly) {
                int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
                if (min == 0 &amp;&amp; ! workQueue.isEmpty())
                    min = 1;
                if (workerCountOf(c) &gt;= min)
                    return; // replacement not needed
            }
            addWorker(null, false);
        }
    }

processWorkerExit接收一個Worker實例與completedAbruptly變量。processWorkerExit的大致工作流程：

判斷當前工作線程是否異常完成，如果是直接減少工作線程的數(shù)量，簡單的說就是校正一下工作線程的數(shù)量。
增加完成的任務數(shù)量，將Worker從workers中移除
tryTerminate() 檢查線程池狀態(tài)，因為線程池可以延遲關閉，如果你調用shutdown方法后不會立即關閉，要等待所有的任務執(zhí)行完成，所以這里調用tryTerminate()方法，嘗試去調用terminated方法。

工作線程完成策略

如果某個工作線程完成，線程池內部會判斷是否需要重新啟動一個：

//判斷線程池狀態(tài)
if (runStateLessThan(c, STOP)) {
    if (!completedAbruptly) {
    		//獲取最小工作線程數(shù)量
        int min = allowCoreThreadTimeOut ? 0 : corePoolSize;
        //如果最小工作線程數(shù)量為0，但是workQueue中還有任務，那重置最小工作線程數(shù)量1
        if (min == 0 &amp;&amp; ! workQueue.isEmpty())
            min = 1;
        //如果當前工作線程數(shù)數(shù)量大于或等于最小工作線程數(shù)量，則不需要啟動新的工作線程
        if (workerCountOf(c) &gt;= min)
            return; // replacement not needed
    }
    
    //啟動一個新的工作線程
    addWorker(null, false);
}

工作線程完成后有兩種處理策略：

對于異常完成的工作線程，直接啟動一個新的替換
對于正常完成的工作線程，判斷當前工作線程是否足夠，如果足夠則不需要新啟動工作線程

注意：這里的完成，表示工作線程的任務執(zhí)行完成，workQueue中也沒有任務可以獲取了。

線程池的關閉

關閉線程池有可以通過shutdown方法：

public void shutdown() {
    final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
    mainLock.lock();
    try {
        checkShutdownAccess();
        advanceRunState(SHUTDOWN);
        interruptIdleWorkers();
        onShutdown(); // hook for ScheduledThreadPoolExecutor
    } finally {
        mainLock.unlock();
    }
    tryTerminate();
}

shutdown方法，第一步就是先改變線程池的狀態(tài)，調用advanceRunState(SHUTDOWN)方法，將線程池當前狀態(tài)更改為SHUTDOWN，advanceRunState代碼如下：

 private void advanceRunState(int targetState) {
        for (;;) {
            int c = ctl.get();
            if (runStateAtLeast(c, targetState) ||
                ctl.compareAndSet(c, ctlOf(targetState, workerCountOf(c))))
                break;
        }
    }

然后立即調用interruptIdleWorkers()方法，interruptIdleWorkers()內部會調用它的重載方法interruptIdleWorkers(boolean onlyOne)同時onlyOne參數(shù)傳遞的false來關閉空閑的線程：

private void interruptIdleWorkers() {
    interruptIdleWorkers(false);
}
    
private void interruptIdleWorkers(boolean onlyOne) {
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            for (Worker w : workers) {
                Thread t = w.thread;
                if (!t.isInterrupted() &amp;&amp; w.tryLock()) {
                    try {
                        t.interrupt();
                    } catch (SecurityException ignore) {
                    } finally {
                        w.unlock();
                    }
                }
                if (onlyOne)
                    break;
            }
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
    }

以上代碼會遍歷workers中的Worker實例，然后調用線程的interrupt()方法。

什么樣的線程才是空閑工作線程？

前面提到過在getTask()中，線程從workQueue中獲取任務時會阻塞，被阻塞的線程就是空閑的。

再次回到getTask()的代碼中：

  private Runnable getTask() {
        boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?

        for (;;) {
        
	          // Check if queue empty only if necessary.
	            if (rs &gt;= SHUTDOWN &amp;&amp; (rs &gt;= STOP || workQueue.isEmpty())) {
	                decrementWorkerCount();
	                return null;
	            }
        			...
             int wc = workerCountOf(c);

            // Are workers subject to culling?
            boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc &gt; corePoolSize;
				 ...
            try {
                Runnable r = timed ?
                    workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
                    workQueue.take();
                if (r != null)
                    return r;
                timedOut = true;
            } catch (InterruptedException retry) {
                timedOut = false;
            }
        }
    }

再次分析getTask()中的代碼中有一段捕獲InterruptedException的代碼塊，interruptIdleWorkers方法中斷線程后，getTask()會捕獲中斷異常，因為外面是一個for循環(huán)，隨后代碼走到判斷線程池狀態(tài)的地方：

if (rs &gt;= SHUTDOWN &amp;&amp; (rs &gt;= STOP || workQueue.isEmpty())) {
	                decrementWorkerCount();
	                return null;
}

上面的代碼的會判斷當前線程池狀態(tài)，如果狀態(tài)大于STOP或者狀態(tài)等于SHUTDOWN并且workQueue為空時則返回null，getTask()返回空那么在runWorker中循環(huán)就會退出，當前工作線程的任務就完成了，可以退出了：

 final void runWorker(Worker w) {
        Thread wt = Thread.currentThread();
        Runnable task = w.firstTask;
        w.firstTask = null;
        w.unlock(); // allow interrupts
        boolean completedAbruptly = true;
        try {
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
           
                  task.run();
                       
            }
                 
            completedAbruptly = false;   
        } finally {
            processWorkerExit(w, completedAbruptly);
        }
    }

shutdownNow

除了shutdown方法能關閉線程池，還有shutdownNow也可以關閉線程池。它兩的區(qū)別在于:

shutdownNow會清空workQueue中的任務
shutdownNow還會中止當前正在運行的任務
shutdownNow會使線程進入STOP狀態(tài)，而shutdown()是SHUTDOWN狀態(tài)

public List<runnable> shutdownNow() {
        List<runnable> tasks;
        final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
        mainLock.lock();
        try {
            checkShutdownAccess();
            advanceRunState(STOP);
            interruptWorkers();
            tasks = drainQueue();
        } finally {
            mainLock.unlock();
        }
        tryTerminate();
        return tasks;
    }

上面代碼基本流程：

advanceRunState(STOP): 使線程池進行STOP狀態(tài)，與shutdown()中的一致，只是使用的狀態(tài)碼是STOP
interruptWorkers()：與shutdown()中的一致
drainQueue(): 清空隊列

任務是中止執(zhí)行還是繼續(xù)執(zhí)行？

調用shutdownNow()后線程池處于STOP狀態(tài)，緊接著所有的工作線程都會被調用interrupt方法，如果此時runWorker還在運行會發(fā)生什么？

在runWorker有一段代碼，就是工作線程中止的重要代碼：

 final void runWorker(Worker w) {
        ...
        
         while (task != null || (task = getTask()) != null) {
           
            		if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                     (Thread.interrupted() &amp;&amp;
                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &amp;&amp;
                    !wt.isInterrupted())
                    wt.interrupt();
                    
                  task.run();
                       
            }
        ...
}

重點關注：

if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
                     (Thread.interrupted() &amp;&amp;
                      runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &amp;&amp;
                    !wt.isInterrupted())
                    wt.interrupt();

這個if看起來有點難理解，理解下來大致意思是：如果線程池狀態(tài)大于等于STOP，立即中斷線程，否則清除線程的中斷標記，也就是說當線程池狀態(tài)為RUNNING和SHUTDOWN時，線程的中斷標記會被清除（線程的中斷代碼在interruptWorkers方法中），可以繼續(xù)執(zhí)行任務。

以上代碼執(zhí)行完成后，緊接著就會調用task.run()方法，這里面我們自己就可以根據(jù)線程的中斷標記來判斷任務是否被中斷。

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