在一系列關(guān)聯(lián)的多任務(wù)的實時環(huán)境中，如果有一個任務(wù)發(fā)生失敗，可能導(dǎo)致所有任務(wù)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，從而造成調(diào)度失控的局面。特別是對于核心控制設(shè)備尤其重要，為了解決這個問題，必須對每個任務(wù)進行實時監(jiān)控。
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在一系列關(guān)聯(lián)的多任務(wù)的實時環(huán)境中，如果有一個任務(wù)發(fā)生失敗，可能導(dǎo)致所有任務(wù)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，從而造成調(diào)度失控的局面。特別是對于核心控制設(shè)備尤其重要，為了解決這個問題，必須對每個任務(wù)進行實時監(jiān)控。
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在JAVA環(huán)境中，一個任務(wù)一般是由一個獨立線程來引導(dǎo)實現(xiàn)的，獨立線程可能調(diào)用一系列子線程。如果在執(zhí)行過程中，某一個線程發(fā)生異常（產(chǎn)生的原因很多，比如軟件升級、運行環(huán)境改變、系統(tǒng)資搶占等），那么該線程就會停止運行，直到下次任務(wù)重新被提交。對于實時環(huán)境來說當(dāng)前任務(wù)是失敗的。我們無法預(yù)測和完全避免異常的發(fā)生，但是可以通過一些技術(shù)手段來跟蹤任務(wù)的狀態(tài)，從而及時發(fā)現(xiàn)問題并恢復(fù)正常，減少損失。
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對于一個實時任務(wù)而言，執(zhí)行效率是非常關(guān)鍵的，這意味著不可能考慮用非常復(fù)雜的方式來實現(xiàn)任務(wù)監(jiān)控，即使這樣可以做的比較完善，同時監(jiān)控代碼本身也會引入一些異常，這就要求監(jiān)控程序必須簡單可靠，能夠發(fā)現(xiàn)大多數(shù)問題，并能及時處理。
一個可能的簡單實現(xiàn)。
我們對每個任務(wù)加上一個監(jiān)控的"殼"，調(diào)度程序調(diào)用這個"殼"來完成對具體任務(wù)的引導(dǎo)和監(jiān)控，相當(dāng)于每個任務(wù)具有自治能力。這樣做的好處有：
- 分散控制。不需要修改調(diào)度主體程序，不增加調(diào)度過程的復(fù)雜度；
- 控制靈活，安全性高。對于不同任務(wù)可定義不同控制方式和控制參數(shù)，封裝在任務(wù)內(nèi)部，靈活性好，對個別任務(wù)控制代碼的修改不會影響其他任務(wù)，即任務(wù)控制實現(xiàn)松藕合，避免錯誤擴散。適合團隊開發(fā)；
- 維護簡單，升級方便。對于新的任務(wù)加入也無需改變原來調(diào)度程序的結(jié)構(gòu)，只需修改任務(wù)表及相關(guān)參數(shù)，這樣在性能提高的同時也簡化了軟件升級過程中的代碼維護量。
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每個線程理論上有四種狀態(tài)：
| new | 線程對象已經(jīng)創(chuàng)建，但尚未啟動，不可運行 |
| runnable | 一旦有時間分片機制有空閑的CPU周期，線程立即開始運行 |
| dead | 從run()方法退出后，一個線程即消亡 |
| blocked | 線程可運行，但有某種東西阻礙了它。調(diào)度機制不給它分配任何CPU時間，直到它進入runnable狀態(tài) |
在實際操作中，為了便于描述，我們重新規(guī)定了線程的狀態(tài)：
| Actived | 線程已被激活，處于運行狀態(tài) |
| Sleeping | 線程完成一個特定任務(wù)后退出，進入休眠狀態(tài) |
| Dead | 線程運行過程中發(fā)生異常，終止運行，處于死亡狀態(tài) |
根據(jù)上述理論，我們只需要對Actived狀態(tài)的線程進行監(jiān)控，也只有對Actived狀態(tài)監(jiān)控才有意義，這是對監(jiān)控模塊做出邏輯簡化。那么如何實現(xiàn)監(jiān)控模塊對具體任務(wù)的監(jiān)控呢？
對具體任務(wù)的監(jiān)控方式有多種，根據(jù)任務(wù)的不同，需要采用不同的監(jiān)控代碼，但是在結(jié)構(gòu)上基本相同。這和類的重載概念有點相似。本文附有一個簡單的例子。
A任務(wù)每秒執(zhí)行一個簡單的代數(shù)運算 j = 1/ i，并打印結(jié)果。我們故意在其中設(shè)置了一個異常陷阱，使得執(zhí)行過程中出現(xiàn)一次被0除的算術(shù)異常，下面結(jié)合這個例子講述監(jiān)控原理。
為了監(jiān)控A，我們設(shè)計了一個監(jiān)控線程M。M中定義了一些關(guān)鍵邏輯變量：
| Keepchecking | 持續(xù)監(jiān)控標(biāo)志 |
| laststatus | 保存上次監(jiān)控狀態(tài) |
| maydeadtimes | 監(jiān)控線程可能死亡的計數(shù)器 |
| maydeadtimeout | 定義判斷線程死亡的邊界條件 |
| deadtimes | 監(jiān)控線程死亡次數(shù)的計數(shù)器 |
| deadtimeout | 定義判斷線程不正常的邊界條件 |
為了適應(yīng)監(jiān)控，在A任務(wù)中相應(yīng)增加一些可以被監(jiān)控的狀態(tài)和行為：
| dead | 死狀態(tài)標(biāo)志 |
| dead = !dead; | 改變狀態(tài) |
整個監(jiān)控就是圍繞這些狀態(tài)標(biāo)志和行為展開的。A任務(wù)定期修改自己的dead標(biāo)志，dead是一個布爾變量，理論上只要A沒有死，那么dead肯定是周期變化的（和心跳概念差不多），M需要做的就是監(jiān)控dead的變化。為了避免一些偶然因素導(dǎo)致的誤判，我們在M中設(shè)置了一些計數(shù)器和邊界值（maydeadtimes和maydeadtimeout），當(dāng)M發(fā)現(xiàn)A的可能死亡次數(shù)超過一定限制后，判斷A已死亡，不在繼續(xù)等待了，作為實時處理，首先注銷A的實例，然后重新啟動A（和我們計算機死機的復(fù)位很像），然后進入新一輪監(jiān)控。
如果是因為系統(tǒng)偶然因素導(dǎo)致A死亡，那么在隨后的新的任務(wù)啟動過程中一般可以順利完成。但是萬一由于環(huán)境參數(shù)改變或軟件升級存在版本缺陷，A可能始終會產(chǎn)生異常，那么M是否需要耐心地監(jiān)控下去呢？一個形象的例子是：如果你連續(xù)3次開機都失敗，你是否會懷疑機器有問題？當(dāng)然，你會，那么M也應(yīng)該會。
為了對A任務(wù)重復(fù)多次死亡有一個統(tǒng)計，M中又引入了另外對計數(shù)器和邊界值（deadtimes和deadtimeout），和你開計算機的過程一樣，如果連續(xù)n次都發(fā)現(xiàn)A有問題，可以基本肯定不是由于偶然因素引起的，需要對A的代碼或系統(tǒng)的環(huán)境進行檢查。M會發(fā)出告警，通知必須要對A進行審查了，然后清空A，自己自動安全退出。如果在核心調(diào)度程序中設(shè)置一個標(biāo)志接受M們的告警，就可以有足夠理由終止其他任務(wù)的執(zhí)行。可以看見，在A任務(wù)發(fā)生異常期間，M承擔(dān)了核心調(diào)度程序的維護功能。特別是當(dāng)任務(wù)數(shù)量比較多的情況，核心調(diào)度程序只能采用排隊方式處理任務(wù)異常，而且由于處理異常的復(fù)雜程度不同，無法保證對多任務(wù)異常的實時處理。
還要考慮正常情況下A和M的關(guān)系。核心調(diào)度程序通過M啟動A任務(wù)后，M處于持續(xù)監(jiān)控狀態(tài)，當(dāng)A正常結(jié)束任務(wù)后，A需要通知M結(jié)束監(jiān)控，這樣，當(dāng)A進入休眠狀態(tài)后，M也不會占用內(nèi)存空間，提高了系統(tǒng)資源的利用率。
通過以上描述，可以看到，上述監(jiān)控思想具有清晰的概念和可操作性，占用資源少，為保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行創(chuàng)造了條件。
具體代碼實現(xiàn)附后。
運行結(jié)果如下：
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| 異常情況 | 正常情況 |
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i=-3: status=true
M read A status = true i=-2: status=false M read A status = false i=-1: status=true M read A status = true A become Exception! M read A status = true M read A status = true M read A status = true A is deaded! M is restarting A! ____________________________ i=-3: status=false M read A status = false i=-2: status=true M read A status = true i=-1: status=false M read A status = false A become Exception! M read A status = false M read A status = false M read A status = false A is deaded! M is restarting A! ____________________________ i=-3: status=true M read A status = true i=-2: status=false M read A status = false i=-1: status=true M read A status = true A become Exception! M read A status = true M read A status = true M read A status = true Alert! A is unstable, M will stop it （結(jié)束） |
i=1: status=true
M read A status = true i=2: status=false M read A status = false i=3: status=true M read A status = true i=4: status=false M read A status = false i=5: status=true M read A status = true A is Ending M M read A status = true （結(jié)束） |
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package safethread;
// 核心調(diào)度程序
public class mythread {
public mythread() { }
public static void main(String[] args) {
M m = new M();
}
}
// A 任務(wù)線程
class A extends Thread {
public static boolean dead = false;
M m;
A(M m){
m = m;
start();
}
public void run(){
try{
for(int i=-3;i<= 5;i++){
int j=1/i; // 人為設(shè)置過程中陷阱
dead = !dead; // 活動狀態(tài)
System.out.println("i=" + i + ": status=" + dead);
try{
sleep(2000);
}
catch(InterruptedException ie){
System.out.println("A is Interrupted!");
}
}
m.Keepchecking = false; //A 正常結(jié)束后關(guān)閉監(jiān)控線程
System.out.println("A is Ending M");
}
catch(Exception e){
System.out.println("A become Exception!");
}
}
}
// 監(jiān)控線程
class M extends Thread{
public static boolean Keepchecking = true; // 持續(xù)監(jiān)控標(biāo)志
boolean laststatus; //保存上次監(jiān)控狀態(tài)
int maydeadtimes = 0; //監(jiān)控線程可能死亡的計數(shù)器
int maydeadtimeout = 3;//定義判斷線程死亡的邊界條件
int deadtimes = 0; //監(jiān)控線程死亡次數(shù)的計數(shù)器
int deadtimeout = 3; //定義判斷線程不正常的邊界條件
A a;
M(){start();}
public void run(){
schedule();
while(Keepchecking){
laststatus = a.dead;
try{
sleep(2000);
}
catch(InterruptedException e){
System.out.println("M is Interrupted!");
}
System.out.println("M read A status = " + a.dead);
if(laststatus == a.dead ){
if(++maydeadtimes >= maydeadtimeout){
if(++deadtimes >= deadtimeout){
System.out.println("Alert! A is unstable, M will stop it");
a = null;
break;
}
else{
System.out.println( "A is deaded!");
schedule();
System.out.println("M is restarting A!\n____________________________\n");
}
}
}
else{
maydeadtimes = 0;
}
}
}
private void schedule(){
A a = new A(this);
}
}
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通過給制定任務(wù)線程增加監(jiān)控線程，可以很好地解決實時多任務(wù)環(huán)境下的安全監(jiān)控問題，同時避免了核心調(diào)度線程事務(wù)過分復(fù)雜的問題。實踐證明，該方法復(fù)雜度小，占用資源少，運行可靠，適合復(fù)雜條件下的多任務(wù)環(huán)境。
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