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Java Shutdown Hook场景使用及源码分析

Posted in Java/Android onJune 15, 2021

背景

如果想在 Java 进程退出时，包括正常和异常退出，做一些额外处理工作，例如资源清理，对象销毁，内存数据持久化到磁盘，等待线程池处理完所有任务等等。特别是进程异常挂掉的情况，如果一些重要状态没及时保留下来，或线程池的任务没被处理完，有可能会造成严重问题。那该怎么办呢？

Java 中的 Shutdown Hook 提供了比较好的方案。我们可以通过 Java.Runtime.addShutdownHook(Thread hook) 方法向 JVM 注册关闭钩子，在 JVM 退出之前会自动调用执行钩子方法，做一些结尾操作，从而让进程平滑优雅的退出，保证了业务的完整性。

Shutdown Hook 介绍

其实，shutdown hook 就是一个简单的已初始化但是未启动的线程。当虚拟机开始关闭时，它将会调用所有已注册的钩子，这些钩子执行是并发的，执行顺序是不确定的。

在虚拟机关闭的过程中，还可以继续注册新的钩子，或者撤销已经注册过的钩子。不过有可能会抛出 IllegalStateException。注册和注销钩子的方法定义如下：

public void addShutdownHook(Thread hook) {
 // 省略
}

public void removeShutdownHook(Thread hook) {
 // 省略
}

关闭钩子被调用场景

关闭钩子可以在以下几种场景被调用：

程序正常退出
程序调用 System.exit() 退出
终端使用 Ctrl+C 中断程序
程序抛出异常导致程序退出，例如 OOM，数组越界等异常
系统事件，例如用户注销或关闭系统
使用 Kill pid 命令杀掉进程，注意使用 kill -9 pid 强制杀掉不会触发执行钩子

验证程序正常退出情况

package com.chenpi;

public class ShutdownHookDemo {

    static {
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> System.out.println("执行钩子方法...")));
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("程序开始启动...");
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("程序即将退出...");
    }
}

运行结果

程序开始启动...
程序即将退出...
执行钩子方法...

Process finished with exit code 0

验证程序调用 System.exit() 退出情况

package com.chenpi;

public class ShutdownHookDemo {

    static {
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> System.out.println("执行钩子方法...")));
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("程序开始启动...");
        Thread.sleep(2000);
        System.exit(-1);
        System.out.println("程序即将退出...");
    }
}

运行结果

程序开始启动...
执行钩子方法...

Process finished with exit code -1

验证终端使用 Ctrl+C 中断程序，在命令行窗口中运行程序，然后使用 Ctrl+C 中断

package com.chenpi;

public class ShutdownHookDemo {

    static {
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> System.out.println("执行钩子方法...")));
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("程序开始启动...");
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("程序即将退出...");
    }
}

运行结果

D:\IdeaProjects\java-demo\java ShutdownHookDemo
程序开始启动...
执行钩子方法...

演示抛出异常导致程序异常退出

package com.chenpi;

public class ShutdownHookDemo {

    static {
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> System.out.println("执行钩子方法...")));
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("程序开始启动...");
        int a = 0;
        System.out.println(10 / a);
        System.out.println("程序即将退出...");
    }
}

运行结果

程序开始启动...
执行钩子方法...
Exception in thread "main" java.lang.ArithmeticException: / by zero
at com.chenpi.ShutdownHookDemo.main(ShutdownHookDemo.java:12)

Process finished with exit code 1

至于系统被关闭，或者使用 Kill pid 命令杀掉进程就不演示了，感兴趣的可以自行验证。

注意事项

可以向虚拟机注册多个关闭钩子，但是注意这些钩子执行是并发的，执行顺序是不确定的。

package com.chenpi;

public class ShutdownHookDemo {

    static {
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> System.out.println("执行钩子方法A...")));
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> System.out.println("执行钩子方法B...")));
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> System.out.println("执行钩子方法C...")));
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("程序开始启动...");
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("程序即将退出...");
    }
}

运行结果

程序开始启动...
程序即将退出...
执行钩子方法B...
执行钩子方法C...
执行钩子方法A...

向虚拟机注册的钩子方法需要尽快执行结束，尽量不要执行长时间的操作，例如 I/O 等可能被阻塞的操作，死锁等，这样就会导致程序短时间不能被关闭，甚至一直关闭不了。我们也可以引入超时机制强制退出钩子，让程序正常结束。

package com.chenpi;

public class ShutdownHookDemo {

    static {
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
            // 模拟长时间的操作
            try {
                Thread.sleep(1000000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }));
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("程序开始启动...");
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("程序即将退出...");
    }
}

以上的钩子执行时间比较长，最终会导致程序在等待很长时间之后才能被关闭。

如果 JVM 已经调用执行关闭钩子的过程中，不允许注册新的钩子和注销已经注册的钩子，否则会报 IllegalStateException 异常。通过源码分析，JVM 调用钩子的时候，即调用 ApplicationShutdownHooks#runHooks() 方法，会将所有钩子从变量 hooks 取出，然后将此变量置为 null。

// 调用执行钩子
static void runHooks() {
    Collection<Thread> threads;
    synchronized(ApplicationShutdownHooks.class) {
        threads = hooks.keySet();
        hooks = null;
    }

    for (Thread hook : threads) {
        hook.start();
    }
    for (Thread hook : threads) {
        try {
            hook.join();
        } catch (InterruptedException x) { }
    }
}

在注册和注销钩子的方法中，首先会判断 hooks 变量是否为 null，如果为 null 则抛出异常。

// 注册钩子
static synchronized void add(Thread hook) {
    if(hooks == null)
        throw new IllegalStateException("Shutdown in progress");

    if (hook.isAlive())
        throw new IllegalArgumentException("Hook already running");

    if (hooks.containsKey(hook))
        throw new IllegalArgumentException("Hook previously registered");

    hooks.put(hook, hook);
}
// 注销钩子
static synchronized boolean remove(Thread hook) {
    if(hooks == null)
        throw new IllegalStateException("Shutdown in progress");

    if (hook == null)
        throw new NullPointerException();

    return hooks.remove(hook) != null;
}

我们演示下这种情况

package com.chenpi;

public class ShutdownHookDemo {

    static {
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
            System.out.println("执行钩子方法...");
            Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(
                    () -> System.out.println("在JVM调用钩子的过程中再新注册钩子，会报错IllegalStateException")));
            // 在JVM调用钩子的过程中注销钩子，会报错IllegalStateException
            Runtime.getRuntime().removeShutdownHook(Thread.currentThread());
        }));
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("程序开始启动...");
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("程序即将退出...");
    }
}

运行结果

程序开始启动...
程序即将退出...
执行钩子方法...
Exception in thread "Thread-0" java.lang.IllegalStateException: Shutdown in progress
at java.lang.ApplicationShutdownHooks.add(ApplicationShutdownHooks.java:66)
at java.lang.Runtime.addShutdownHook(Runtime.java:211)
at com.chenpi.ShutdownHookDemo.lambda$static$1(ShutdownHookDemo.java:8)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

如果调用 Runtime.getRuntime().halt() 方法停止 JVM，那么虚拟机是不会调用钩子的。

package com.chenpi;

public class ShutdownHookDemo {

    static {
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> System.out.println("执行钩子方法...")));
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("程序开始启动...");
        System.out.println("程序即将退出...");
        Runtime.getRuntime().halt(0);
    }
}

运行结果

程序开始启动...
程序即将退出...

Process finished with exit code 0

如果要想终止执行中的钩子方法，只能通过调用 Runtime.getRuntime().halt() 方法，强制让程序退出。在Linux环境中使用 kill -9 pid 命令也是可以强制终止退出。

package com.chenpi;

public class ShutdownHookDemo {

    static {
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
            System.out.println("开始执行钩子方法...");
            Runtime.getRuntime().halt(-1);
            System.out.println("结束执行钩子方法...");
        }));
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("程序开始启动...");
        System.out.println("程序即将退出...");
    }
}

运行结果

程序开始启动...
程序即将退出...
开始执行钩子方法...

Process finished with exit code -1

如果程序使用 Java Security Managers，使用 shutdown Hook 则需要安全权限 RuntimePermission(“shutdownHooks”)，否则会导致 SecurityException。

实践

例如，我们程序自定义了一个线程池，用来接收和处理任务。如果程序突然奔溃异常退出，这时线程池的所有任务有可能还未处理完成，如果不处理完程序就直接退出，可能会导致数据丢失，业务异常等重要问题。这时钩子就派上用场了。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ShutdownHookDemo {
 // 线程池
    private static ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);

    static {
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
            System.out.println("开始执行钩子方法...");
            // 关闭线程池
            executorService.shutdown();
            try {
             // 等待60秒
                System.out.println(executorService.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS));
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("结束执行钩子方法...");
        }));
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("程序开始启动...");
        // 向线程池添加10个任务
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread.sleep(1000);
            final int finalI = i;
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    Thread.sleep(4000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Task " + finalI + " execute...");
            });
            System.out.println("Task " + finalI + " is in thread pool...");
        }
    }
}

在命令行窗口中运行程序，在10个任务都提交到线程池之后，任务都还未处理完成之前，使用 Ctrl+C 中断程序，最终在虚拟机关闭之前，调用了关闭钩子，关闭线程池，并且等待60秒让所有任务执行完成。

Java Shutdown Hook场景使用及源码分析

Shutdown Hook 在 Spring 中的运用

Shutdown Hook 在 Spring 中是如何运用的呢。通过源码分析，Springboot 项目启动时会判断 registerShutdownHook 的值是否为 true，默认是 true，如果为真则向虚拟机注册关闭钩子。

private void refreshContext(ConfigurableApplicationContext context) {
 refresh(context);
 if (this.registerShutdownHook) {
  try {
   context.registerShutdownHook();
  }
  catch (AccessControlException ex) {
   // Not allowed in some environments.
  }
 }
}

@Override
public void registerShutdownHook() {
 if (this.shutdownHook == null) {
  // No shutdown hook registered yet.
  this.shutdownHook = new Thread() {
   @Override
   public void run() {
    synchronized (startupShutdownMonitor) {
        // 钩子方法
     doClose();
    }
   }
  };
  // 底层还是使用此方法注册钩子
  Runtime.getRuntime().addShutdownHook(this.shutdownHook);
 }
}

在关闭钩子的方法 doClose 中，会做一些虚拟机关闭前处理工作，例如销毁容器里所有单例 Bean，关闭 BeanFactory，发布关闭事件等等。

protected void doClose() {
 // Check whether an actual close attempt is necessary...
 if (this.active.get() && this.closed.compareAndSet(false, true)) {
  if (logger.isDebugEnabled()) {
   logger.debug("Closing " + this);
  }

  LiveBeansView.unregisterApplicationContext(this);

  try {
   // 发布Spring 应用上下文的关闭事件，让监听器在应用关闭之前做出响应处理
   publishEvent(new ContextClosedEvent(this));
  }
  catch (Throwable ex) {
   logger.warn("Exception thrown from ApplicationListener handling ContextClosedEvent", ex);
  }

  // Stop all Lifecycle beans, to avoid delays during individual destruction.
  if (this.lifecycleProcessor != null) {
   try {
       // 执行lifecycleProcessor的关闭方法
    this.lifecycleProcessor.onClose();
   }
   catch (Throwable ex) {
    logger.warn("Exception thrown from LifecycleProcessor on context close", ex);
   }
  }

  // 销毁容器里所有单例Bean
  destroyBeans();

  // 关闭BeanFactory
  closeBeanFactory();

  // Let subclasses do some final clean-up if they wish...
  onClose();

  // Reset local application listeners to pre-refresh state.
  if (this.earlyApplicationListeners != null) {
   this.applicationListeners.clear();
   this.applicationListeners.addAll(this.earlyApplicationListeners);
  }

  // Switch to inactive.
  this.active.set(false);
 }
}

我们知道，我们可以定义 bean 并且实现 DisposableBean 接口，重写 destroy 对象销毁方法。destroy 方法就是在 Spring 注册的关闭钩子里被调用的。例如我们使用 Spring 框架的 ThreadPoolTaskExecutor 线程池类，它就实现了 DisposableBean 接口，重写了 destroy 方法，从而在程序退出前，进行线程池销毁工作。源码如下：

@Override
public void destroy() {
 shutdown();
}

/**
 * Perform a shutdown on the underlying ExecutorService.
 * @see java.util.concurrent.ExecutorService#shutdown()
 * @see java.util.concurrent.ExecutorService#shutdownNow()
 */
public void shutdown() {
 if (logger.isInfoEnabled()) {
  logger.info("Shutting down ExecutorService" + (this.beanName != null ? " '" + this.beanName + "'" : ""));
 }
 if (this.executor != null) {
  if (this.waitForTasksToCompleteOnShutdown) {
   this.executor.shutdown();
  }
  else {
   for (Runnable remainingTask : this.executor.shutdownNow()) {
    cancelRemainingTask(remainingTask);
   }
  }
  awaitTerminationIfNecessary(this.executor);
 }
}

到此这篇关于Java Shutdown Hook场景使用及源码分析的文章就介绍到这了,更多相关Java Shutdown Hook内容请搜索三水点靠木以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持三水点靠木！

Java Shutdown Hook场景使用及源码分析

- Author -

陈皮的JavaLib

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