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。
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);
}
}
