深入JVM关闭与关闭钩子

 

1. 简述JVM关闭
通常而言，对于JVM的关闭我们很少去关注，但是了解JVM的关闭能帮我们在JVM关闭时做一些合理的事情。首先JVM的关闭方式可以分为三种：

正常关闭：当最后一个非守护线程结束或者调用了System.exit或者通过其他特定平台的方法关闭（发送SIGINT，SIGTERM信号等）
强制关闭：通过调用Runtime.halt方法或者是在操作系统中直接kill(发送SIGKILL信号)掉JVM进程
异常关闭：运行中遇到RuntimeException异常等。

在某些情况下，我们需要在JVM关闭时做些扫尾的工作，比如删除临时文件、停止日志服务以及内存数据写到磁盘等，为此JVM提供了关闭钩子（shutdown hooks）来做这些事情。另外特别注意的是：如果JVM因异常关闭，那么子线程（Hook本质上也是子线程）将不会停止。但在JVM被强行关闭时，这些线程都会被强行结束。

在了解关闭钩子之前我们首先认识Runtime。Runtime封装Java应用运行时的环境。通过Runtime实例，使得应用程序和其运行环境相连接。Runtime是在应用启动期间自动建立，应用程序不能够创建Runtime，但是我们可以通过Runtime.getRuntime()来获得当前应用的Runtime对象引用，通过该引用我们可以获得当前运行环境的相关信息，比如空闲内存、最大内存以及为当前虚拟机添加关闭钩子（addShutdownHook（）），执行指定命令（exec（））等等。

2. 深入关闭钩子（shutdown hook）
关闭钩子本质上是一个线程（也称为Hook线程），用来监听JVM的关闭。通过使用Runtime的addShutdownHook(Thread hook)可以向JVM注册一个关闭钩子。Hook线程在JVM 正常关闭才会执行，在强制关闭时不会执行。

对于一个JVM中注册的多个关闭钩子它们将会并发执行，所以JVM并不能保证它的执行顺行。当所有的Hook线程执行完毕后，如果此时runFinalizersOnExit为true，那么JVM将先运行终结器，然后停止。Hook线程会延迟JVM的关闭时间，这就要求在编写钩子过程中必须要尽可能的减少Hook线程的执行时间。另外由于多个钩子是并发执行的，那么很可能因为代码不当导致出现竞态条件或死锁等问题，为了避免该问题，强烈建议在一个钩子中执行一系列操作。

另外在使用关闭钩子还要注意以下几点：
1. 不能在钩子调用System.exit()，否则卡住JVM的关闭过程，但是可以调用Runtime.halt()。
2. 不能再钩子中再进行钩子的添加和删掉操作，否则将会抛出IllegalStateException。
3. 在System.exit()之后添加的钩子无效。
4. 当JVM收到SIGTERM命令（比如操作系统在关闭时）后，如果钩子线程在一定时间没有完成，那么Hook线程可能在执行过程中被终止。
5. Hool线程中同样会抛出异常，如果抛出异常又不处理，那么钩子的执行序列就会被停止。

源码解析
现在我们来通过源码来简单的分析一下shutdown hook的实现原理。简单的说，Shutdown类充当触发器，负责触发关闭钩子，而ApplicationShutdownHooks负责管理所有注册到JVM的关闭钩子。

1. Shutdown源码分析

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class Shutdown {       /* 定义了三个状态码，用来表示关闭状态，也是System.exit(state)中的state的取值范围 */     private static final int RUNNING = 0;     private static final int HOOKS = 1;     private static final int FINALIZERS = 2;     private static int state = RUNNING;//初始化为运行状态       //在JVM退出前是否要运行终结器？     private static boolean runFinalizersOnExit = false;       // 三种预定义的钩子类型，如下：     // (0) Console restore hook     // (1) Application hooks  （ApplicationShutdownHooks中添加的就是该类型）     // (2) DeleteOnExit hook     private static final int MAX_SYSTEM_HOOKS = 10;     private static final Runnable[] hooks = new Runnable[MAX_SYSTEM_HOOKS];       // the index of the currently running shutdown hook to the hooks array     private static int currentRunningHook = 0;       /* The preceding static fields are protected by this lock */     private static class Lock { };     private static Object lock = new Lock();       /* Lock object for the native halt method */     private static Object haltLock = new Lock();       /* Invoked by Runtime.runFinalizersOnExit */     static void setRunFinalizersOnExit(boolean run) {         synchronized (lock) {             runFinalizersOnExit = run;         }     }       //添加钩子，每种类型的钩子只能添加一次。ApplicationShutdownHooks类用于管理应用程序添加的钩子，通过static{}在初始化阶段添加。     static void add(int slot, boolean registerShutdownInProgress, Runnable hook) {         synchronized (lock) {             if (hooks[slot] != null)//每个钩子只能被添加一次                 throw new InternalError("Shutdown hook at slot " + slot + " already registered");               if (!registerShutdownInProgress) {                 if (state > RUNNING)                     throw new IllegalStateException("Shutdown in progress");             } else {                 if (state > HOOKS || (state == HOOKS && slot <= currentRunningHook))                     throw new IllegalStateException("Shutdown in progress");             }               hooks[slot] = hook;         }     }       //遍历所有已注册到JVM的钩子，并执行     private static void runHooks() {         for (int i=0; i < MAX_SYSTEM_HOOKS; i++) {             try {                 Runnable hook;                 synchronized (lock) {                     // acquire the lock to make sure the hook registered during                     // shutdown is visible here.                     currentRunningHook = i;                     hook = hooks[i];                 }                 if (hook != null) hook.run();             } catch(Throwable t) {                 if (t instanceof ThreadDeath) {                     ThreadDeath td = (ThreadDeath)t;                     throw td;                 }             }         }     }       static void halt(int status) {         synchronized (haltLock) {             halt0(status);         }     }       static native void halt0(int status);         private static native void runAllFinalizers();        //关闭钩子的序列，调用Shutdown.exit()或者Shutdown.shutdown()最终会调用该方法     private static void sequence() {         synchronized (lock) {             /* Guard against the possibility of a daemon thread invoking exit              * after DestroyJavaVM initiates the shutdown sequence              */             if (state != HOOKS) return;         }         runHooks();         boolean rfoe;         synchronized (lock) {             state = FINALIZERS;             rfoe = runFinalizersOnExit;         }         if (rfoe) runAllFinalizers();     }       static void exit(int status) {         boolean runMoreFinalizers = false;         synchronized (lock) {             if (status != 0) runFinalizersOnExit = false;             switch (state) {             case RUNNING:       /* Initiate shutdown */                 state = HOOKS;                 break;             case HOOKS:         /* Stall and halt */                 break;             case FINALIZERS:                 if (status != 0) {                     /* Halt immediately on nonzero status */                     halt(status);                 } else {                     /* Compatibility with old behavior:                      * Run more finalizers and then halt                      */                     runMoreFinalizers = runFinalizersOnExit;                 }                 break;             }         }         if (runMoreFinalizers) {             runAllFinalizers();             halt(status);         }         synchronized (Shutdown.class) {             /* Synchronize on the class object, causing any other thread              * that attempts to initiate shutdown to stall indefinitely              */             sequence();             halt(status);         }     }       static void shutdown() {         synchronized (lock) {             switch (state) {             case RUNNING:       /* Initiate shutdown */                 state = HOOKS;                 break;             case HOOKS:         /* Stall and then return */             case FINALIZERS:                 break;             }         }         synchronized (Shutdown.class) {             sequence();         }     }   }

　　

2. ApplicationShutdownHooks源码分析
接着再来看一下ApplicationShutdownHooks类,该类用来管理和维护用户等级的钩子，也就是Shutdown提到的Application hooks。该类中通过使用一个Map性质的IdentityHashMap来保持用户的关闭钩子。

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class ApplicationShutdownHooks {     /* 存放用户级的管理钩子 */     private static IdentityHashMap<Thread, Thread> hooks;     static {         try {             //初始化阶段，首先向Shutdown中添加一个用户级别的线程，该线程中将会执行`runHooks()`方法.后续在Shutdown中通过该线程的引用来执行该线程run()方法。             Shutdown.add(1 /* shutdown hook invocation order */,                 false /* not registered if shutdown in progress */,                 new Runnable() {                     public void run() {                         runHooks();                     }                 }             );             hooks = new IdentityHashMap<>();         } catch (IllegalStateException e) {             // application shutdown hooks cannot be added if             // shutdown is in progress.             hooks = null;         }     }       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);     }       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;     }       //该方法将提供给钩子类型的线程调用。     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) { }         }     } }

　　

 

这里需要注意几点：

在初始化阶段，当static{}执行时，runHooks()并未执行。
在runHooks()中通过定义局部的threads来转移hooks，转移成功后，hooks将被清空，这样就保证了，关闭钩子的逻辑只能执行一次。例如你在代码中多处调用System.exit()方法，但关闭钩子的执行逻辑只能运行一次。随后启动所有用户Hook线程，再通过调用每个join()的来使主线程等待子线程执行完毕，这也就保证了在正常情况下关闭钩子会在应用最终关闭前完成。
任何一个应用都会默认存在一个Appliction Hook，该Hook被Shutdown触发后将会引起所有已注册到JVM的ShutdownHook的执行。
用一张简单的图来描述该过程，如下：

 

 

执行sequence()，进而执行该类 runHooks(),runHooks()中通过执行 if (hook != null) hook.run()最终引起 ApplicationShutdownHooks.runHooks();
runHooks()
3. 综合应用：
明白了其原理之后，也需要知道其使用场景：
1、内存管理
在某些情况下，我们需要根据当前内存的使用情况，人为的调用System.gc()来尝试回收堆内存中失效的对象。此时就可以用到Runtime中的totalMemory()、freeMemory()等方法。示例如下：

 

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public void autoClean(){     Runtime rt=Runtime.getRumtime();     if((rt.totalMemory()-rt.freeMemory())/(double)rt.maxMemory()>0.90){         //内存利用率到90%以上时，执行相关清理工作     } }

　　

2、执行命令

 

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class Test {         public static void main(String args[]){                 Runtime r = Runtime.getRuntime();                 Process p = null;                 try{                         p = r.exec("notepad");                 } catch (Exception e) {                   }         } }

　　

注意：通过exec（）方式执行命令时，该命令在单独的进程（Process）中。

3、通过Hook实现临时文件清理

实例：

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public class test {         public static void main(String[] args) {         try {             Thread.sleep(20000);         } catch (InterruptedException e) {             e.printStackTrace();         }           Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(new Runnable() {             public void run() {                 System.out.println("auto clean temporary file");             }         }));     }   }