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***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***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);
	}
}