Java Shutdown Hook场景使用及源码分析

Java Shutdown Hook场景使用及源码分析

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 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.outtuUVnG.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);

}

}

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