白话JVM——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
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：
Created with Raphaël 2.1.0 System System Runtime Runtime Shutdown Shutdown ApplicationShutdownHooks ApplicationShutdownHooks exit() exit() exit() 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");
}
}));
}
}