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Java Shutdown Hook 场景使用和源码分析

发布于: 2021 年 06 月 12 日
Java Shutdown Hook 场景使用和源码分析

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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}
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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:


  1. 程序正常退出

  2. 程序调用 System.exit() 退出

  3. 终端使用 Ctrl+C 中断程序

  4. 程序抛出异常导致程序退出,例如 OOM,数组越界等异常

  5. 系统事件,例如用户注销或关闭系统

  6. 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..."); }}
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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
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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..."); }}
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运行结果


程序开始启动...执行钩子方法...
Process finished with exit code -1
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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..."); }}
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运行结果


D:\IdeaProjects\java-demo\java ShutdownHookDemo程序开始启动...执行钩子方法...
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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..."); }}
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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
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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..."); }}
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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...
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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..."); }}
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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) { } }}
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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;}
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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..."); }}
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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)
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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); }}
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运行结果


程序开始启动...程序即将退出...
Process finished with exit code 0
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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..."); }}
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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
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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..."); } }}
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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。



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.    }  }}
@Overridepublic 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); }}
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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); }}
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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:


@Overridepublic 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); }}
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发布于: 2021 年 06 月 12 日阅读数: 14
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CSDN博客专家,微信搜一搜 - 陈皮的JavaLib 2020.02.22 加入

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