Java线程的异常处理机制详情

2024-04-02 19:55

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前言

启动一个Java程序，本质上是运行某个Java类的main方法。我们写一个死循环程序，跑起来，然后运行jvisualvm进行观察

可以看到这个Java进程中，一共有11个线程，其中10个守护线程，1个用户线程。我们main方法中的代码，就跑在一个名为main的线程中。当Java进程中跑着的所有线程都是守护线程时，JVM就会退出。

在单线程的场景下，如果代码运行到某个位置时抛出了异常，会看到控制台打印出异常的堆栈信息。但在多线程的场景下，子线程中发生的异常，不一定就能及时的将异常信息打印出来。

我曾经在工作中遇到过一次，采用CompletableFuture.runAsync异步处理耗时任务时，任务处理过程中出现异常，然而日志中没有任何关于异常的信息。时隔许久，重新温习了线程中的异常处理机制，加深了对线程工作原理的理解，特此记录。

线程的异常处理机制

我们知道，Java程序的运行，是先经由javac将Java源代码编译成class字节码文件，然后由JVM加载并解析class文件，随后从主类的main方法开始执行。当一个线程在运行过程中抛出了未捕获异常时，会由JVM调用这个线程对象上的dispatchUncaughtException方法，进行异常处理。

// Thread类中
private void dispatchUncaughtException(Throwable e) {
        getUncaughtExceptionHandler().uncaughtException(this, e);
}

源码很好理解，先获取一个UncaughtExceptionHandler异常处理器，然后通过调用这个异常处理器的uncaughtException方法来对异常进行处理。（下文用缩写ueh来表示UncaughtExceptionHandler）

ueh是个啥呢？其实就是定义在Thread内部的一个接口，用作异常处理。

    @FunctionalInterface
    public interface UncaughtExceptionHandler {
        
        void uncaughtException(Thread t, Throwable e);
    }

再来看下Thread对象中的getUncaughtExceptionHandler方法

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

先查看当前这个Thread对象是否有设置自定义的ueh对象，若有，则由其对异常进行处理，否则，由当前Thread对象所属的线程组（ThreadGroup）进行异常处理。我们点开源码，容易发现ThreadGroup类本身实现了Thread.UncaughtExceptionHandler接口，也就是说ThreadGroup本身就是个异常处理器。

public class ThreadGroup implements Thread.UncaughtExceptionHandler {
    private final ThreadGroup parent;
    ....
}

假设我们在main方法中抛出一个异常，若没有对main线程设置自定义的ueh对象，则交由main线程所属的ThreadGroup来处理异常。我们看下ThreadGroup是怎么处理异常的：

    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);
            }
        }
    }

这部分源码也比较简短。首先是查看当前ThreadGroup是否拥有父级的ThreadGroup，若有，则调用父级ThreadGroup进行异常处理。否则，调用静态方法Thread.getDefaultUncaughtExceptionHandler()获取一个默认的ueh对象。

若默认的ueh对象不为空，则由这个默认的ueh对象进行异常处理；否则，当异常不是ThreadDeath时，直接将当前线程的名字，和异常的堆栈信息，通过标准错误输出（System.err）打印到控制台。

我们随便运行一个main方法，看一下线程的情况

可以看到，main线程属于一个同样名为main的ThreadGroup，而这个main的ThreadGroup，其父级ThreadGroup名为system，而这个system的ThreadGroup，没有父级了，它就是根ThreadGroup。

由此可知，main线程中抛出的未捕获异常，最终会交由名为system的ThreadGroup进行异常处理，而由于没有设置默认的ueh对象，异常信息会通过System.err输出到控制台。

接下来，我们通过最朴素的方式（new一个Thread），在main线程中创建一个子线程，在子线程中编写能抛出异常的代码，进行观察

    public static void main(String[] args)  {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            System.out.println(3 / 0);
        });
        thread.start();
    }

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。

小结

所以，正常来说，如果没有对某个线程设置特定的ueh对象；也没有调用静态方法Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler设置全局默认的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()设置一个全局默认的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。

线程的异常处理机制，用一个流程图表示如下：

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);
        });
    }

    public static void main(String[] args)  {
        ExecutorService threadPool = Executors.newSingleThreadExecutor();
        threadPool.submit(() -> {
            System.out.println(3 / 0);
        });
    }

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

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，并调用当前子线程的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Worker是ThreadPoolExecutor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);
        }

ThreadPoolExecutor中的addWorker方法

再次跟源码时，加深了对ThreadPoolExecutor和Worker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Worker的run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Worker的run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;
    }

    protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Runnable runnable, T value) {
        return new FutureTask<T>(runnable, value);
    }

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）
将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
    }

    // Executors中
	public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
        if (task == null)
            throw new NullPointerException();
        return new RunnableAdapter<T>(task, result);
    }

    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;
        }
    }

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Runnable和Future接口

于是我们看下FutureTask的run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FutureTask的run方法）

    protected void setException(Throwable t) {
        if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
            outcome = t;
            UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state
            finishCompletion();
        }
    }

可以看到，异常信息只是被简单的设置到了FutureTask的outcome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;
    }

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);
    }

    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
    }

小结

通过ThreadPoolExecutor的execute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ThreadPoolExecutor的submit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 的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。