背景

有朋友碰到了一個情況：java.lang.System#exit無法退出應(yīng)用程序。

我聽到這種情況的時候是感覺很驚奇的，這函數(shù)還能不起作用？這就好奇不已了呀

接著，朋友繼續(xù)給出了他的場景描述：在Dubbo應(yīng)用連接注冊中心的時候，如果連接(超時)失敗，期望調(diào)用System#exit退出應(yīng)用程序，但是程序并沒有按期望退出，JVM進(jìn)程還存在

與此同時，如果把執(zhí)行System#exit的代碼放到另一個線程，程序可以按期望退出，JVM進(jìn)程結(jié)束

用偽代碼描述如下：

Future<Object> future = 連接注冊中心的Future;
try {
    Object o = future.get(3, TimeUnit.SECONDS);
} catch (Exception e) {
	log.error("connect failed xxxx");
    System.exit(1); // 程序無法退出
}

-----------

Future<Object> future = 連接注冊中心的Future;
try {
    Object o = future.get(3, TimeUnit.SECONDS);
} catch (Exception e) {
	log.error("connect failed xxxx");
    new Thread(() -> System.exit(1)).start(); // 程序能按期望退出
}

朋友面臨的場景比偽代碼描述的情況復(fù)雜的多，但所面臨的本質(zhì)問題是一樣的。

更一般化地問題，在Dubbo的org.apache.dubbo.registry.zookeeper.ZookeeperRegistry#ZookeeperRegistry構(gòu)造函數(shù)中，直接執(zhí)行System.exit(1);程序無法退出，放在異步線程中執(zhí)行卻可以按期望退出

即：

// org.apache.dubbo.registry.zookeeper.ZookeeperRegistry#ZookeeperRegistry

public ZookeeperRegistry(URL url, ZookeeperTransporter zookeeperTransporter) {
    super(url);
    System.exit(1); //JVM進(jìn)程無法退出
    // ...(省略)
}

-----------
// org.apache.dubbo.registry.zookeeper.ZookeeperRegistry#ZookeeperRegistry

public ZookeeperRegistry(URL url, ZookeeperTransporter zookeeperTransporter) {
    super(url);
    new Thread(() -> {System.exit(1);}).start(); //JVM進(jìn)程正常退出
    // ...(省略)
}

這就更令人驚奇了！

問題排查

要找出問題產(chǎn)生的原因，首先得有一些預(yù)備知識，否則會茫然無措，感覺無從下手

• java.lang.System#exit 方法是Java提供的能夠停止JVM進(jìn)程的方法
• 該方法被觸發(fā)時，JVM會去調(diào)用Shutdown Hook(關(guān)閉勾子)方法，直到所有勾子方法執(zhí)行完畢，才會關(guān)閉JVM進(jìn)程

由上述第2點(diǎn)猜測：是否存在死循環(huán)的勾子函數(shù)無法退出，以致JVM沒有去關(guān)閉進(jìn)程？

舉個例子：

public static void main(String[] args) {
    Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
        while (true) {
            try {
                System.out.println("closing...");
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }
    }));

    System.out.println("before exit...");
    System.exit(0); 
    System.out.println("after exit..."); //代碼不會執(zhí)行
}

如上，在main方法里先注冊了一個shutdown hook，該勾子函數(shù)是個死循環(huán)，永遠(yuǎn)也不會退出，每3秒打印一次"closing…"

接著執(zhí)行System.exit(0);方法，期望退出JVM進(jìn)程

before exit...
closing...
closing...
closing...
closing...
closing...

...

結(jié)果是控制臺不斷打印"closing…"，且JVM進(jìn)程沒有退出

原因正是上述第二點(diǎn)儲備知識提到的：JVM會等待所有勾子執(zhí)行完畢之后，才關(guān)閉進(jìn)程。而示例中的shutdown hook 永遠(yuǎn)也不會執(zhí)行完畢，因此JVM進(jìn)程也不會被關(guān)閉

盡管有了儲備知識，仍然很疑惑：如果存在死循環(huán)的shutdown hook，那么System.exit無論是在主線程中調(diào)用，還是在異步線程中調(diào)用，都應(yīng)該不會關(guān)閉JVM進(jìn)程；反之，如果不存在死循環(huán)的shutdown hook，無論是在哪個線程調(diào)用，都應(yīng)該會關(guān)閉JVM進(jìn)程。為什么在背景的偽代碼中，卻是因?yàn)椴煌恼{(diào)用線程執(zhí)行System.exit，導(dǎo)致不一樣的結(jié)果呢？

這時候只好想辦法，看看shutdown hook們都在偷摸干啥事，為什么未執(zhí)行完畢，以致JVM進(jìn)程不能退出

恰好對Dubbo的源碼也略有研究，很容易就找到org.apache.dubbo.registry.zookeeper.ZookeeperRegistry#ZookeeperRegistry的構(gòu)造函數(shù)，并在其中加上一行代碼，如下所示，改完之后重新編譯源碼，并引入自己的工程中進(jìn)行Debug

注：本次使用的Dubbo版本為2.7.6

// org.apache.dubbo.registry.zookeeper.ZookeeperRegistry#ZookeeperRegistry
public ZookeeperRegistry(URL url, ZookeeperTransporter zookeeperTransporter) {
    super(url);
    System.exit(1); // 新增加的一行代碼
    // ...(省略)
}

啟動工程，熟悉Dubbo的朋友應(yīng)該會知道，應(yīng)用啟動的過程中會去注冊中心(這兒是Zookeeper)注冊或者訂閱，因?yàn)閱拥氖窍M(fèi)者，因此應(yīng)用會嘗試連接注冊中心Zookeeper，會走到ZookeeperRegistry的構(gòu)造函數(shù)，由于構(gòu)造函數(shù)第二行是新增的代碼System.exit(1);按照背景的說法，JVM不會退出，且會卡死，這時候，借助IDEA的"快照"功能，可以"拍"下Java線程棧的運(yùn)行情況，功能上相當(dāng)于執(zhí)行jstack命令

從線程棧中看出一個可疑的線程：DubboShutdownHook

從名字上可以看出是一個Dubbo注冊的一個shutdown hook，其主要目的是為了關(guān)閉連接、做一些資源的回收等工作

從圖中也可以看出，線程阻塞在org.apache.dubbo.registry.support.AbstractRegistryFactory第83行

public static void destroyAll() {
    if (!destroyed.compareAndSet(false, true)) {
        return;
    }

    if (LOGGER.isInfoEnabled()) {
        LOGGER.info("Close all registries " + getRegistries());
    }
    // Lock up the registry shutdown process
    LOCK.lock(); // 83行，DubboShutdownHook線程阻塞在此處
    try {
        for (Registry registry : getRegistries()) {
            try {
                registry.destroy();
            } catch (Throwable e) {
                LOGGER.error(e.getMessage(), e);
            }
        }
        REGISTRIES.clear();
    } finally {
        // Release the lock
        LOCK.unlock();
    }
}

從代碼中很顯然可以看出，因?yàn)楂@取不到鎖，因此線程阻塞在第83行，等待獲取鎖，也就是說，有別的線程持著這把鎖，但還沒釋放，DubboShutdownHook不得不等待著

通過IDEA，查看有哪些地方獲取了這把鎖，如下，找到了

org.apache.dubbo.registry.support.AbstractRegistryFactory#getRegistry(org.apache.dubbo.common.URL)

會獲取鎖

// org.apache.dubbo.registry.support.AbstractRegistryFactory

public Registry getRegistry(URL url) {
    // ...(省略)
    LOCK.lock(); // 獲取鎖
    try {
        // ...(省略)
        // 創(chuàng)建Registry，由于我們選用的注冊中心是Zookeeper，因此通過SPI選擇了ZookeeperRegistryFactory對ZookeeperRegistry進(jìn)行創(chuàng)建，最終會調(diào)用到我們添加過一行System.exit的ZookeeperRegistry構(gòu)造函數(shù)中
        
        registry = createRegistry(url); 
        
        // ...(省略)
    } finally {
        // Release the lock
        LOCK.unlock(); // 創(chuàng)建完registry，與注冊中心連上之后，才會釋放鎖
    }
}

// org.apache.dubbo.registry.zookeeper.ZookeeperRegistryFactory

public Registry createRegistry(URL url) {
	// 調(diào)用修改過源碼的ZookeeperRegistry構(gòu)造函數(shù)
    return new ZookeeperRegistry(url, zookeeperTransporter);
}

如此，System.exit無法退出JVM進(jìn)程的問題總算真相大白了：

1.Dubbo啟動過程中會先獲取鎖，然后創(chuàng)建registry與注冊中心進(jìn)行連接，在ZookeeperRegistry中調(diào)用了java.lang.System#exit方法，程序轉(zhuǎn)而執(zhí)行"喚起shutdown hook"的代碼并阻塞等待所有勾子函數(shù)執(zhí)行完畢，而此時，之前持有的鎖并沒有釋放

2.所有勾子函數(shù)(每個勾子函數(shù)都對應(yīng)一個線程)被喚醒并執(zhí)行，其中有一個Dubbo的勾子函數(shù)在執(zhí)行的過程中，需要獲取步驟1中的鎖，由于獲取鎖失敗，就阻塞等待著

3.由于1沒有釋放鎖的情況下等待2執(zhí)行完，而2的執(zhí)行需要等待1釋放鎖，這樣就形成了一個類似"死鎖"的場景，因此也就導(dǎo)致了程序卡死，而JVM進(jìn)程還存活的現(xiàn)象。之所以稱為"類似"死鎖，是因?yàn)?中執(zhí)行System.exit的線程，也即持有鎖的線程，永遠(yuǎn)不會走到釋放鎖的代碼：一旦程序進(jìn)入System.exit的世界里，就像進(jìn)了一個單向蟲洞，只能進(jìn)不能出，如果勾子函數(shù)執(zhí)行完畢，JVM進(jìn)程接著就會被關(guān)閉，不會有機(jī)會再釋放鎖

那么，為什么在異步線程中執(zhí)行System.exit，卻能夠正常退出JVM？

那是因?yàn)椋?strong>"喚起shutdown hook"并阻塞等待所有勾子函數(shù)執(zhí)行完畢的線程是其它線程(此處假設(shè)是線程A)，該線程在阻塞時并未持有任何鎖，而主線程會繼續(xù)往下執(zhí)行并接著釋放鎖。一旦鎖釋放，Shutdown hook就有機(jī)會持有該鎖，并且執(zhí)行其它資源的回收操作，等到所有的shutdown hook執(zhí)行完畢，A線程就能從阻塞中返回并執(zhí)行halt方法關(guān)閉JVM，因此能夠正常退出JVM進(jìn)程

深入學(xué)習(xí)

以上是對java.lang.System#exit 無法退出程序問題的分析，來龍去脈已經(jīng)闡述清楚，受益于對Dubbo源碼的了解以及正確的排查思路和排查手段，整個問題排查過程其實(shí)并沒有花太多時間，但可以趁著這個機(jī)會，把java.lang.System#exit系統(tǒng)學(xué)習(xí)一下，或許會對以后問題排查、基礎(chǔ)組件設(shè)計提供一些思路

System#exit

// java.lang.System

public static void exit(int status) {
    Runtime.getRuntime().exit(status);
}

Terminates the currently running Java Virtual Machine. The argument serves as a status code; by convention, a nonzero status code indicates abnormal termination.
This method calls the exit method in class Runtime. This method never returns normally.
The call System.exit(n) is effectively equivalent to the call:
Runtime.getRuntime().exit(n)

這個方法實(shí)現(xiàn)非常簡單，是Runtime#exit的一個簡便寫法，其作用是用來關(guān)閉JVM進(jìn)程，一旦調(diào)用該方法，永遠(yuǎn)也不會從該方法正常返回：執(zhí)行完該方法后JVM進(jìn)程就直接關(guān)閉了。

入?yún)tatus取值分兩類：0值與非0值，0值意味著正常關(guān)閉，非0值意味著異常關(guān)閉。

傳入0值[有可能]會去執(zhí)行所有的finalizer方法，非0值則一定不會執(zhí)行(都不正常了，還執(zhí)行啥finalizer呢?)。這兒提及[有可能]是因?yàn)?，默認(rèn)并不會執(zhí)行finalizers，需要調(diào)用java.lang.Runtime#runFinalizersOnExit方法開啟，而該方法早被JDK標(biāo)識為Deprecated，因此通常情況下是不會開啟的

// java.lang.Runtime

@Deprecated
public static void runFinalizersOnExit(boolean value) {
    SecurityManager security = System.getSecurityManager();
    if (security != null) {
        try {
            security.checkExit(0);
        } catch (SecurityException e) {
            throw new SecurityException("runFinalizersOnExit");
        }
    }
    Shutdown.setRunFinalizersOnExit(value);
}

接著看java.lang.Runtime#exit，可以看到，最終調(diào)用的是Shutdown.exit(status);，該方法是個包級別可見的方法，外部不可見

// java.lang.Runtime

public void exit(int status) {
    SecurityManager security = System.getSecurityManager();
    if (security != null) {
        security.checkExit(status);
    }
    Shutdown.exit(status);
}

// java.lang.Shutdown

static void exit(int status) {
    // ...(省略)
    synchronized (Shutdown.class) {
        /* Synchronize on the class object, causing any other thread
         * that attempts to initiate shutdown to stall indefinitely
         */
        // 執(zhí)行shutdown序列
        sequence();
        // 關(guān)閉JVM
        halt(status);
    }
}

// java.lang.Shutdown

private static void sequence() {
    // ...(省略)
    runHooks();
    // ...(省略)
}

// java.lang.Shutdown

private static void runHooks() {
    for (int i=0; i < MAX_SYSTEM_HOOKS; i++) {
        try {
            Runnable hook;
            synchronized (lock) {
                // 這個鎖很重要，目的是通過Happens-Before保證內(nèi)存的可見性
                currentRunningHook = i;
                hook = hooks[i];
            }
            if (hook != null) hook.run(); //執(zhí)行勾子函數(shù)
        } catch(Throwable t) {
            if (t instanceof ThreadDeath) {
                ThreadDeath td = (ThreadDeath)t;
                throw td;
            }
        }
    }
}

java.lang.Shutdown#runHooks有兩個點(diǎn)需要注意，第一點(diǎn)MAX_SYSTEM_HOOKS(hooks)這個并不是我們注冊的shutdown hooks，而是按順序預(yù)定義的系統(tǒng)關(guān)閉勾子，目前JDK源碼(JDK8)預(yù)定義了三個：

• Console restore hook
• Application hooks
• DeleteOnExit hook

其中，Application hooks才是我們應(yīng)用程序中主動注冊的shutdown hook。

在java.lang.ApplicationShutdownHooks類初始化時，會執(zhí)行static代碼塊，并在其中注冊了Application hooks

// java.lang.ApplicationShutdownHooks

class ApplicationShutdownHooks {
    /* The set of registered hooks */
    // 這個才是我們應(yīng)用程序代碼中注冊的shutdown hook
    private static IdentityHashMap<Thread, Thread> hooks; 
    static {
        try {
            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;
        }
    }

其次要注意的點(diǎn)是，給hook變量賦值的時候進(jìn)行了加鎖

Runnable hook;
synchronized (lock) {
    currentRunningHook = i;
    hook = hooks[i];
}

一般而言，給局部變量賦值是不需要加鎖的，因?yàn)榫植孔兞渴菞Ｉ献兞浚€程棧之間數(shù)據(jù)是隔離的，不會出現(xiàn)線程安全的問題，因此不需要靠加鎖來保證數(shù)據(jù)并發(fā)訪問的安全性。

而此處加鎖也并非為了解決線程安全問題，其真正的目的在于，通過Happens-Before規(guī)則來保證hooks的內(nèi)存可見性：An unlock on a monitor happens-before every subsequent lock on that monitor。

如果不加鎖，有可能導(dǎo)致從hooks數(shù)組中讀取到的值并不是內(nèi)存中最新的變量值，而是一個舊值

上面是讀取hooks數(shù)組給hook變量賦值，為了滿足HB(Happens-Before)原則，需要確保寫操作中同樣對hooks變量進(jìn)行了加鎖，因此我們看一下寫hooks數(shù)組的地方，如下：

// java.lang.Shutdown

static void add(int slot, boolean registerShutdownInProgress, Runnable hook) {
    synchronized (lock) {
    		// ...(省略)
        hooks[slot] = hook;
    }
}

寫 操作確實(shí)加了鎖，這樣才能讓接下來的 讀 操作的加鎖行為滿足HB原則

由于篇幅原因，就不展開具體的HB介紹，相信了解過HB原則的朋友一下就能明白其中的原理

這個點(diǎn)個人感覺很有意思，因?yàn)殒i的作用不單是為了保證線程安全，還可以用來做為內(nèi)存通信、保證內(nèi)存可見性的手段，因此可以當(dāng)作面試的一個點(diǎn)，當(dāng)下次面試官問到：你寫的代碼中用過鎖（synchronized）嗎？什么場景用到鎖？都集群部署了，單機(jī)鎖還有意義嗎？ 我們就可以回答：為了保證內(nèi)存的可見性，balabalaba

所以你瞧，這個點(diǎn)其實(shí)也給我們設(shè)計基礎(chǔ)組件帶來很大的啟發(fā)，synchronized在當(dāng)今集群、分布式環(huán)境下并非一無是處，總有合適的地方在等待著它發(fā)揮光和熱

注：JDK源碼中真處處是寶藏，很多地方隱藏著巧妙而不可缺少的設(shè)計

在給hook變量賦值之后，就執(zhí)行 if (hook != null) hook.run();，其中會執(zhí)行到Application hooks，即上面提到的在ApplicationShutdownHooks類初始化時注冊的勾子，勾子內(nèi)部調(diào)用了java.lang.ApplicationShutdownHooks#runHooks方法

// java.lang.ApplicationShutdownHooks

Shutdown.add(1 /* shutdown hook invocation order */,
    false /* not registered if shutdown in progress */,
    new Runnable() {
        public void run() {
            runHooks();
        }
    }
);

// java.lang.ApplicationShutdownHooks

static void runHooks() {
    Collection<Thread> threads;
    synchronized(ApplicationShutdownHooks.class) {
        threads = hooks.keySet(); // hooks才是應(yīng)用程序真正注冊的shutdown hook
        hooks = null;
    }
		// 每一個shutdown hook都對應(yīng)一個thread，由此可見是并發(fā)執(zhí)行關(guān)閉勾子函數(shù)
    for (Thread hook : threads) {
        hook.start();
    }
    for (Thread hook : threads) {
        while (true) {
            try {
                hook.join(); // 死等到hook執(zhí)行完畢
                break;
            } catch (InterruptedException ignored) {
                // 即便被喚醒都不搭理，接著進(jìn)行下一輪循環(huán)，繼續(xù)死等
            }
        }
    }
}

上面的hooks才是應(yīng)用程序真正注冊的shutdown hook，由源碼可以看出，每一個hook都對應(yīng)著一個thread，且調(diào)用了它們的start方法，即開啟thread，意味著shutdown hook是并發(fā)、無序地執(zhí)行

接著，喚起shutdown hook的線程，會通過死循環(huán)和join死等到所有關(guān)閉勾子都執(zhí)行完畢，且忽略任何 喚醒異常。也即是說，如果勾子們不執(zhí)行完，喚醒線程是不會離開的

等所有的Application hooks執(zhí)行完畢，接下來會執(zhí)行DeleteOnExit hook(如果存在)，等所有system hooks執(zhí)行完畢，也基本意味著sequence方法執(zhí)行完畢，接下來就執(zhí)行halt方法關(guān)閉JVM虛擬機(jī)

synchronized (Shutdown.class) {
    sequence();
    halt(status);
}

這里額外還有一個知識點(diǎn)，上文只是提了一嘴，可能會容易忽略，此處拿出來解釋一下：執(zhí)行java.lang.System#exit永遠(yuǎn)也不會從該方法正常返回，也即是說，即便System#exit后邊跟著的是finally，也不會執(zhí)行 。一不注意就容易掉坑里

try {
    // ...
    System.exit(0);
} finally {
    // 這里的代碼永遠(yuǎn)執(zhí)行不到
}

java.lang.Runtime#addShutdownHook

聊完System#exit方法，接著來聊聊注冊shutdown hook的方法。該方法本身實(shí)現(xiàn)上很簡單，如下示：

// java.lang.Runtime
public void addShutdownHook(Thread hook) {
    // ...(省略)
    ApplicationShutdownHooks.add(hook);
}

// java.lang.ApplicationShutdownHooks
static synchronized void add(Thread hook) {
    // ...(省略)
    hooks.put(hook, hook);
}

需要注意的是，注冊的關(guān)閉勾子會在以下幾種時機(jī)被調(diào)用到

程序正常退出

• 最后一個非守護(hù)線程執(zhí)行完畢退出時
• System.exit方法被調(diào)用時

程序響應(yīng)外部事件

• 程序響應(yīng)用戶輸入事件，例如在控制臺按ctrl+c(^+c)
• 程序響應(yīng)系統(tǒng)事件，如用戶注銷、系統(tǒng)關(guān)機(jī)等

除此之外，shutdown hook是不會被執(zhí)行的

Shutdown hook存在的意義之一，是能夠幫助我們實(shí)現(xiàn)優(yōu)雅停機(jī)，而優(yōu)雅停機(jī)的意義是：應(yīng)用的重啟、停機(jī)等操作，不影響業(yè)務(wù)的連續(xù)性

以Dubbo Provider的視角為例，優(yōu)雅停機(jī)需要滿足兩點(diǎn)基本訴求：

• Consumer不應(yīng)該請求到已經(jīng)下線的Provider
• 在途請求需要處理完畢，不能被停機(jī)指令中斷

Dubbo注冊了Shutdown hook，JVM在收到操作系統(tǒng)發(fā)來的關(guān)閉指令時，會執(zhí)行關(guān)閉勾子

• 在勾子中停止與注冊中心的連接，注冊中心會通知Consumer某個Provider已下線，后續(xù)不應(yīng)該再調(diào)用該P(yáng)rovider進(jìn)行服務(wù)。此行為是斷掉上游流量，滿足第一點(diǎn)訴求
• 接著，勾子執(zhí)行Protocol(Dubbo相關(guān)概念)的注銷邏輯，在其中判斷server(Dubbo相關(guān)概念)是否還在處理請求，在超時時間內(nèi)等待所有任務(wù)處理完畢，則關(guān)閉server。此行為是處理在途請求，滿足第二點(diǎn)述求

因此，一種優(yōu)雅停機(jī)的整體方案如下：

$pid = ps | grep xxx // 查找要關(guān)閉的應(yīng)用
kill $pid // 發(fā)出關(guān)閉應(yīng)用指令
sleep for a period of time // 等待一段時間，讓應(yīng)用程序執(zhí)行shutdown hook進(jìn)行現(xiàn)場的保留跟資源的清理工作

$pid = ps | grep xxx // 再次查找要關(guān)閉的應(yīng)用，如果還存在，就需要強(qiáng)行關(guān)閉應(yīng)用
if($pid){kill -9 $pid} // 等待一段時間之后，應(yīng)用程序仍然沒有正常停止，則需要強(qiáng)行關(guān)閉應(yīng)用

總結(jié)

本文從現(xiàn)實(shí)問題出發(fā)，尋找了System#exit無法退出應(yīng)用程序的真相，這個過程中分享了一些排查問題思路跟手段；接著，對System#exit進(jìn)行了整體深入的學(xué)習(xí)，閱讀了其核心部分的源碼，明白了關(guān)閉勾子其執(zhí)行過程跟原理，其中還提到JDK巧妙的設(shè)計：通過鎖來觸發(fā)Happens-Before規(guī)則，達(dá)到了內(nèi)存可見性的目的。

再接著，分享了關(guān)閉勾子的注冊過程，了解了這些關(guān)閉勾子會被調(diào)用或觸發(fā)的時機(jī)。

最后，闡述了關(guān)閉勾子的意義及重要性：優(yōu)雅停機(jī)，并以Dubbo Provider進(jìn)行舉例，分享了Dubbo優(yōu)雅停機(jī)的原理，加深對關(guān)閉勾子的理解

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