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
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。
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:
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
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:
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"); } })); } }