JVM Shutdown Hook 机制原理以及源码分析

写在前面

最近看众多框架源码的时候都看到使用到了Shutdown Hook机制。比如下图：SkyWalking、Spring、Tomcat等等框架，几乎只要是Java层面的框架都会使用到此机制。所以，借用论坛给读者写一篇关于JVM Shutdown Hook 机制原理分析以及源码分析。

 

Shutdown Hook 机制原理：

这里就不提供代码案例展示了，因为上面几个框架源码已经展示的很明显了。

JVM提供的一个hook机制，在JVM关闭之前JVM自动触发开发者实现的hook。开发者可以在运行期间动态添加或者删除hook。此机制目的也很简单，让开发者可以在JVM关闭之前做收尾工作，合理的释放自己想释放的资源，而不是全部委托给JVM来释放。 大致流程图如下：

源码分析： 

从上述的大致流程图可以分析得出源码分为2个步骤：

1. Java层面如何注册ShutdownHook任务
2. JVM层面如何回掉所有的ShutdownHook任务

先从读者都能看懂的Java层面入手

Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(()-> System.out.println("shutdownHook..")));

public void addShutdownHook(Thread hook) {
    SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
    if (sm != null) {
        sm.checkPermission(new RuntimePermission("shutdownHooks"));
    }
    ApplicationShutdownHooks.add(hook);
}

这里调用了ApplicationShutdownHooks.add方法，把传入的Thread线程添加进去。

class ApplicationShutdownHooks {
    private static IdentityHashMap hooks;

    static {
        try {
            // 调用Shutdown类的静态方法add，注册一个runnable任务。
            Shutdown.add(1 
                ,false,
                new Runnable() {
                    public void run() {
                        // runnable回掉runHooks方法。
                        runHooks();
                    }
                }
            );
            hooks = new IdentityHashMap<>();
        } 
    }

    // 传入线程和任务体
    static synchronized void add(Thread hook) {

        …………

        // 添加到全局集合中，等待被回掉。
        hooks.put(hook, hook);
    }

    // 回掉方法。
    static void runHooks() {
        Collection threads;
        synchronized(ApplicationShutdownHooks.class) {
            threads = hooks.keySet();
            hooks = null;
        }
        // 执行注册的所有的hook。
        for (Thread hook : threads) {
            hook.start();
        }
        // 等待所有的hook执行完毕。
        for (Thread hook : threads) {
            while (true) {
                try {
                    hook.join();
                    break;
                } catch (InterruptedException ignored) {
                }
            }
        }
    }
}

这里描述出来可能比较绕，因为存在多次回掉，笔者认为代码不难，应该读者都能够自己看明白。不过这里还是对以上代码做一个总结。

1. Runtime.getRuntime().addShutdownHook方法调用了ApplicationShutdownHooks.add(hook); 把线程对象传入。
2. add方法内部非常简单把线程对象添加到全局的hooks集合中（注意这里的一切都是static修饰的，所以是类共享的，也即是唯一的）
3. ApplicationShutdownHooks类中static静态代码块中调用Shutdown.add方法，注册了一个Runnable任务。
4. Runnable任务的run任务体执行的是runHooks方法，也即最终会回掉runHooks方法。
5. runHooks方法就非常的明显了，启动全局hooks线程集合的线程对象（这也对应上第一点），并且此处阻塞直到所有的线程执行完毕。
6. 所以接下来需要分析Shutdown类做了些什么。

class Shutdown {

    // 全局的Runnable数组
    private static final Runnable[] hooks = new Runnable[MAX_SYSTEM_HOOKS];

    static void add(int slot, boolean registerShutdownInProgress, Runnable hook) {
        synchronized (lock) {
            
            …………

            // 添加到全局数组中
            hooks[slot] = hook;
        }
    }

    private static void runHooks() {
        for (int i=0; i < MAX_SYSTEM_HOOKS; i++) {
            try {
                Runnable hook;
                synchronized (lock) {
                    currentRunningHook = i;
                    hook = hooks[i];
                }
                if (hook != null) 
                    // 回掉Runnable，也即执行ApplicationShutdownHooks类中runHooks方法
                    hook.run();
            } 
        }
    }

    private static void sequence() {
        synchronized (lock) {
            if (state != HOOKS) return;
        }
        // 执行runHooks方法
        runHooks();
        boolean rfoe;
        synchronized (lock) {
            state = FINALIZERS;
            rfoe = runFinalizersOnExit;
        }
        if (rfoe) runAllFinalizers();
    }


    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) {
            // 执行sequence方法
            sequence();
        }
    }
}

Shutdown类中add方法接收ApplicationShutdownHooks类static静态代码块传入的Runnable任务，添加到全局的Runnable数组中。在Shutdown类中shutdown方法回掉sequence方法，而在sequence方法中回掉runHooks方法，而在Shutdown类中runHooks方法回掉Runnable任务。而回掉Runnable任务就是在执行执行ApplicationShutdownHooks类中runHooks方法。而执行ApplicationShutdownHooks类中runHooks方法就等于在启动开发者传入的Thread线程对象，最终执行开发者的自定义逻辑。

所以接下来只需要找到Shutdown类中shutdown方法调用处就全部闭环啦。到此，可能对于大部分的Java程序员找破头都找不出来哪里调用的。没错，这里是JVM调用的，所以接下来是JVM源码部分。

bool Threads::destroy_vm() {
  JavaThread* thread = JavaThread::current();

  { 
    MutexLocker nu(Threads_lock);
    // 这里对应上一句八股文，主线程执行完毕后，JVM关闭需要等待其他非守护线程执行完毕。
    while (Threads::number_of_non_daemon_threads() > 1 )

      // 阻塞等待。
      Threads_lock->wait(!Mutex::_no_safepoint_check_flag, 0,
                         Mutex::_as_suspend_equivalent_flag);
  }
  
  …………

  // JDK12的特殊处理
  if (JDK_Version::is_jdk12x_version()) {
    HandleMark rm(thread);
    Universe::run_finalizers_on_exit();
  } else {

    // 执行Java程序注册的ShutdownHooks。
    thread->invoke_shutdown_hooks();

  }

  thread->exit(true);

  …………

  return true;
}

这里是JVM执行完main主线程后摧毁main主线程的逻辑代码。

也非常的简单，这里需要阻塞等待其他非守护线程执行完毕，然后执行invoke_shutdown_hooks方法去回掉Java程序注册的ShutdownHooks逻辑。

// 来自vmSymbols.hpp 映射表
template(shutdown_method_name,                      "shutdown")    
template(void_method_signature,                     "()V")  

void JavaThread::invoke_shutdown_hooks() {

  …………

  // 拿到java_lang_Shutdown类对象。也即拿到Shutdown类对象。
  Klass* k =
    SystemDictionary::resolve_or_null(vmSymbols::java_lang_Shutdown(),
                                      THREAD);
  if (k != NULL) {

    instanceKlassHandle shutdown_klass (THREAD, k);
    JavaValue result(T_VOID);

    // 调用Shutdown类的shutdown方法。
    JavaCalls::call_static(&result,
                           shutdown_klass,
                           vmSymbols::shutdown_method_name(),
                           vmSymbols::void_method_signature(),
                           THREAD);
  }
}

到此，就全部闭环啦～！

总结：

大部分笔者在Java层面如鱼得水，但是C/C++层面无从下手。所以想扩宽道路还是得多往底层学习。

ShutdownHook机制并不难，使用起来也是非常的简单，所以没啥好总结的～！

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