你们的优雅停机真的优雅吗？ | 京东云技术团队

lichwoo 2023-08-16 发布于荷兰

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1. 前言

emm，又又遇到问题啦，现有业务系统应用上线存在窗口期，不能满足正常任务迭代上线。在非窗口期上线容易导致数据库、mq、jsf 等线程中断，进而导致需要手动修单问题。故而通过添加优雅停机功能进行优化，令其在上线前选择优雅停机后，会优先断掉新流量的涌入，并预留一定时间处理现存连接，最后完全下线，可有效扩大上线预留窗口时间并降低上线期间线程中断，进而降低手动修单。可是什么是优雅停机呢？为什么现有的系统技术没有原生的优雅停机机制呢？通过调研整理文章如下。

2. 何为优雅停机？

· 优雅停机是指为确保应用关闭时，通知应用进程释放所占用的资源。

· 线程池，shutdown（不接受新任务等待处理完）还是 shutdownNow（调用 Thread.interrupt 进行中断）。

· socket 链接，比如：netty、jmq、fmq。（需要着重处理）

· 告知注册中心快速下线，比如jsf。（需要着重处理）

· 清理临时文件。

· 各种堆内堆外内存释放。

总之，进程强行终止会带来数据丢失或者终端无法恢复到正常状态，在分布式环境下可能导致数据不一致的情况。

3. 导致优雅停机不优雅的元凶之 - kill 命令

· kill 指令

◦ kill -15 ：kill 指令默认就是 - 15，知识发送一个SIGTERM信号通知进程终止，由进程自行决定怎么做，即进程不一定终止。一般不直接使用 kill -15，不一定能够终止进程。

◦ kill -9：强制终止进程，进程会被立刻终止。kill -9 过于暴力，往往会出现事务执行、业务处理中断的情况，导致数据库中存在脏数据、系统中存在残留文件等情况。如果要使用 kill -9，尽量先使用 kill -15 给进程一个处理善后的机会。该命令可以模拟一次系统宕机，系统断电等极端情况。

◦ kill -2：类似 Ctrl + C 退出，会先保存相关数据再终止进程。kill -2 立刻终止正在执行的代码->保存数据->终止进程，只是在进程终止之前会保存相关数据，依然会出现事务执行、业务处理中断的情况，做不到优雅停机。

4. 引申问题：jvm 如何接受处理 linux 信号量的？

· 在 jvm 启动时就加载了自定义SingalHandler，关闭 jvm 时触发对应的 handle。

public interface SignalHandler {
    SignalHandler SIG_DFL = new NativeSignalHandler(0L);
    SignalHandler SIG_IGN = new NativeSignalHandler(1L);
 
    void handle(Signal var1);
}
class Terminator {
    private static SignalHandler handler = null;
 
    Terminator() {
    }
    //jvm设置SignalHandler，在System.initializeSystemClass中触发
    static void setup() {
        if (handler == null) {
            SignalHandler var0 = new SignalHandler() {
                public void handle(Signal var1) {
                    Shutdown.exit(var1.getNumber() + 128);//调用Shutdown.exit
                }
            };
            handler = var0;
 
            try {
                Signal.handle(new Signal("INT"), var0);//中断时
            } catch (IllegalArgumentException var3) {
                
            }
 
            try {
                Signal.handle(new Signal("TERM"), var0);//终止时
            } catch (IllegalArgumentException var2) {
                
            }
 
        }
    }
}

· Runtime.addShutdownHook。在了解Shutdown.exit之前，先看Runtime.getRuntime().addShutdownHook(shutdownHook)；则是为 jvm 中增加一个关闭的钩子，当 jvm关闭的时候调用。

public class Runtime {
    public void addShutdownHook(Thread hook) {
        SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
        if (sm != null) {
            sm.checkPermission(new RuntimePermission("shutdownHooks"));
        }
        ApplicationShutdownHooks.add(hook);
    }
}
class ApplicationShutdownHooks {
    /* The set of registered hooks */
    private static IdentityHashMap<Thread, Thread> hooks;
    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);
    }
}
//它含数据结构和逻辑管理虚拟机关闭序列
class Shutdown {
    /* Shutdown 系列状态*/
    private static final int RUNNING = 0;
    private static final int HOOKS = 1;
    private static final int FINALIZERS = 2;
    private static int state = RUNNING;
    /* 是否应该运行所以finalizers来exit? */
    private static boolean runFinalizersOnExit = false;
    // 系统关闭钩子注册一个预定义的插槽.
    // 关闭钩子的列表如下:
    // (0) Console restore hook
    // (1) Application hooks
    // (2) DeleteOnExit hook
    private static final int MAX_SYSTEM_HOOKS = 10;
    private static final Runnable[] hooks = new Runnable[MAX_SYSTEM_HOOKS];
    // 当前运行关闭钩子的钩子的索引
    private static int currentRunningHook = 0;
    /* 前面的静态字段由这个锁保护 */
    private static class Lock { };
    private static Object lock = new Lock();
 
    /* 为native halt方法提供锁对象 */
    private static Object haltLock = new Lock();
 
    static void add(int slot, boolean registerShutdownInProgress, Runnable hook) {
        synchronized (lock) {
            if (hooks[slot] != null)
                throw new InternalError("Shutdown hook at slot " + slot + " already registered");
 
            if (!registerShutdownInProgress) {//执行shutdown过程中不添加hook
                if (state > RUNNING)//如果已经在执行shutdown操作不能添加hook
                    throw new IllegalStateException("Shutdown in progress");
            } else {//如果hooks已经执行完毕不能再添加hook。如果正在执行hooks时，添加的槽点小于当前执行的槽点位置也不能添加
                if (state > HOOKS || (state == HOOKS && slot <= currentRunningHook))
                    throw new IllegalStateException("Shutdown in progress");
            }
 
            hooks[slot] = hook;
        }
    }
    /* 执行所有注册的hooks
     */
    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;
                }
            }
        }
    }
    /* 关闭JVM的操作
     */
    static void halt(int status) {
        synchronized (haltLock) {
            halt0(status);
        }
    }
    //JNI方法
    static native void halt0(int status);
    // shutdown的执行顺序：runHooks > runFinalizersOnExit
    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();
    }
    //Runtime.exit时执行，runHooks > runFinalizersOnExit > halt
    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);
        }
    }
    //shutdown操作，与exit不同的是不做halt操作(关闭JVM)
    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();
        }
    }
}

5.Spring 中是如何实现优雅停机的？

· 以 Spring3.2.12 在spring中通过ContexClosedEvent事件来触发一些动作，主要通过LifecycleProcessor.onClose来做stopBeans。由此可见spring也基于jvm做了扩展。

public abstract class AbstractApplicationContext extends DefaultResourceLoader {
     public void registerShutdownHook() {
          if (this.shutdownHook == null) {
           // No shutdown hook registered yet.
               this.shutdownHook = new Thread() {
                    @Override
                    public void run() {
                         doClose();
                    }
               };
           Runtime.getRuntime().addShutdownHook(this.shutdownHook);
          }
 }
     protected void doClose() {
          boolean actuallyClose;
          synchronized (this.activeMonitor) {
          actuallyClose = this.active && !this.closed;
          this.closed = true;
          }
 
          if (actuallyClose) {
               if (logger.isInfoEnabled()) {
                    logger.info("Closing " + this);
               }
 
               LiveBeansView.unregisterApplicationContext(this);
 
               try {
    //发布应用内的关闭事件
                    publishEvent(new ContextClosedEvent(this));
               }
               catch (Throwable ex) {
                    logger.warn("Exception thrown from ApplicationListener handling ContextClosedEvent", ex);
               }
 
   // 停止所有的Lifecycle beans.
               try {
                    getLifecycleProcessor().onClose();
               }
                   catch (Throwable ex) {
                logger.warn("Exception thrown from LifecycleProcessor on context close", ex);
               }
 
   // 销毁spring 的 BeanFactory可能会缓存单例的 Bean.
               destroyBeans();
 
   // 关闭当前应用上下文（BeanFactory）
               closeBeanFactory();
 
   // 执行子类的关闭逻辑
               onClose();
 
               synchronized (this.activeMonitor) {
                    this.active = false;
               }
          }
     } 
}
public interface LifecycleProcessor extends Lifecycle {
 /**
  * Notification of context refresh, e.g. for auto-starting components.
  */
     void onRefresh();
 
 /**
  * Notification of context close phase, e.g. for auto-stopping components.
  */
     void onClose();
}

6.SpringBoot 是如何做到优雅停机的？

· 优雅停机是springboot的特性之一，在收到终止信号后，不再接受、处理新请求，但会在终止进程之前预留一小段缓冲时间，已完成正在处理的请求。注：优雅停机需要在tomcat的9.0.33及其之后的版本才支持。

· springboot中有spring-boot-starter-actuator模块提供了一个restful接口，用于优雅停机。执行请求curl -X POST http://127.0.0.1:8088/shutdown。待关闭成功则返回提示。注：线上环境url需要设置权限，可配合spring-security使用火灾nginx限制内网访问。

#启用shutdown
endpoints.shutdown.enabled=true
#禁用密码验证
endpoints.shutdown.sensitive=false
#可统一指定所有endpoints的路径
management.context-path=/manage
#指定管理端口和IP
management.port=8088
management.address=127.0.0.1
 
#开启shutdown的安全验证（spring-security）
endpoints.shutdown.sensitive=true
#验证用户名
security.user.name=admin
#验证密码
security.user.password=secret
#角色
management.security.role=SUPERUSER

· springboot的shutdown通过调用AbstractApplicationContext.close实现的。

@ConfigurationProperties(
    prefix = "endpoints.shutdown"
)
public class ShutdownMvcEndpoint extends EndpointMvcAdapter {
    public ShutdownMvcEndpoint(ShutdownEndpoint delegate) {
        super(delegate);
    }
    //post请求
    @PostMapping(
        produces = {"application/vnd.spring-boot.actuator.v1+json", "application/json"}
    )
    @ResponseBody
    public Object invoke() {
        return !this.getDelegate().isEnabled() ? new ResponseEntity(Collections.singletonMap("message", "This endpoint is disabled"), HttpStatus.NOT_FOUND) : super.invoke();
    }
}
@ConfigurationProperties(
    prefix = "endpoints.shutdown"
)
public class ShutdownEndpoint extends AbstractEndpoint<Map<String, Object>> implements ApplicationContextAware {
    private static final Map<String, Object> NO_CONTEXT_MESSAGE = Collections.unmodifiableMap(Collections.singletonMap("message", "No context to shutdown."));
    private static final Map<String, Object> SHUTDOWN_MESSAGE = Collections.unmodifiableMap(Collections.singletonMap("message", "Shutting down, bye..."));
    private ConfigurableApplicationContext context;
 
    public ShutdownEndpoint() {
        super("shutdown", true, false);
    }
    //执行关闭
    public Map<String, Object> invoke() {
        if (this.context == null) {
            return NO_CONTEXT_MESSAGE;
        } else {
            boolean var6 = false;
 
            Map var1;
 
            class NamelessClass_1 implements Runnable {
                NamelessClass_1() {
                }
 
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(500L);
                    } catch (InterruptedException var2) {
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                    //这个调用的就是AbstractApplicationContext.close
                    ShutdownEndpoint.this.context.close();
                }
            }
 
            try {
                var6 = true;
                var1 = SHUTDOWN_MESSAGE;
                var6 = false;
            } finally {
                if (var6) {
                    Thread thread = new Thread(new NamelessClass_1());
                    thread.setContextClassLoader(this.getClass().getClassLoader());
                    thread.start();
                }
            }
 
            Thread thread = new Thread(new NamelessClass_1());
            thread.setContextClassLoader(this.getClass().getClassLoader());
            thread.start();
            return var1;
        }
    }
}

7. 知识拓展之 Tomcat 和 Spring 的关系？

通过参与云工厂优雅停机重构发现Tomcat和Spring均存在问题，故而查询探究两者之间。

· Tomcat和jettey是 HTTP 服务器和 Servlet 容器，负责给类似 Spring 这种 servlet 提供一个运行的环境，其中：Http 服务器与 Servlet 容器的功能界限是：可以把 HTTP 服务器想象成前台的接待，负责网络通信和解析请求，Servlet 容器是业务部门，负责处理业务请求。

· Tomcat 和 Servlet 作为 Web 服务器和 Servlet 容器的结合，可以接受网络 http 请求解析为 Servlet 规范的请求对象和响应对象。比如，HttpServletRequest 对象是 Tomcat 提供的，Servlet 是规范，Tomcat 是实现规范的 Servlet 容器，SpringMVC 是处理 Servlet 请求的应用，其中 DispatcherServlet 实现了 Servlet 接口，Tomcat 负责加载和调用 DispatcherServlet。同时，DispatcherServlet 有自己的容器（SpringMVC）容器，这个容器负责管理 SpringMVC 相关的 bean，比如 Controler 和 ViewResolver 等。同时，Spring 中还有其他的 Bean 比如 Service 和 DAO 等，这些由全局的 Spring IOC 容器管理，因此，Spring 有两个 IOC 容器。

· 如果只是使用 spring (不包含 springmvc)，那么是 tomcat 容器解析 xml 文件，通过反射实例化对应的类，根据这些 servlet 规范实现类，触发对应的代码处理逻辑，这个时候 tomcat 负责 http 报文的解析和 servlet 调度的工作。

· 如果使用 spring mvc，那么 tomcat 只是解析 http 报文，然后将其转发给 dispatchsetvlet，然后由 springmvc 根据其配置，实例对应的类，执行对应的逻辑，然后返回结果给 dispatchservlet，最后由它转发给 tomcat, 由 tomcat 负责构建 http 报文数据。

8. 实战演练

· mq（jmq、fmq）通过添加hook在停机时调用pause先停止该应用的消费，防止出现上线期间mq中线程池的线程中断的情况发生。


/**
 * @ClassName ShutDownHook
 * @Description
 * @Date 2022/10/28 17:47
 **/
@Component
@Slf4j
public class ShutDownHook {

    @Value("${shutdown.waitTime:10}")
    private int waitTime;

    @Resource
    com.jdjr.fmq.client.consumer.MessageConsumer fmqMessageConsumer;

    @Resource
    com.jd.jmq.client.consumer.MessageConsumer jmqMessageConsumer;


    @PreDestroy
    public void destroyHook() {
        try {
            log.info("ShutDownHook destroy");

            jmqMessageConsumer.pause();
            fmqMessageConsumer.pause();

            int i = 0;
            while (i < waitTime) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    log.info("距离服务关停还有{}秒", waitTime - i++);
                } catch (Throwable e) {
                    log.error("异常", e);
                }
            }

        } catch (Throwable e) {
            log.error("异常", e);
        }

    }
}

· 在优雅停机时需要先把jsf生产者下线，并预留一定时间消费完毕，行云部署有相关 stop.sh 脚本，项目中通过在 shutdown 中编写方法实现。

jsf启停分析：见京东内部 cf 文档；

@Component
@Lazy(value = false)
public class ShutDown implements ApplicationContextAware {
    private static Logger logger = LoggerFactory.getLogger(ShutDown.class);

    @Value("${shutdown.waitTime:60}")
    private int waitTime;

    @Resource
    com.jdjr.fmq.client.consumer.MessageConsumer fmqMessageConsumer;

    @PostConstruct
    public void init() {
        logger.info("ShutDownHook init");
    }

    private ApplicationContext applicationContext = null;

    @PreDestroy
    public void destroyHook() {
        try {
            logger.info("ShutDownHook destroy");
            destroyJsfProvider();
            fmqMessageConsumer.pause();

            int i = 0;
            while (i < waitTime) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    logger.info("距离服务关停还有{}秒", waitTime - i++);
                } catch (Throwable e) {
                    logger.error("异常", e);
                }
            }

        } catch (Throwable e) {
            logger.error("异常", e);
        }

    }
    private void destroyJsfProvider() {
        logger.info("关闭所有JSF生产者");
        if (null != applicationContext) {
            String[] providerBeanNames = applicationContext.getBeanNamesForType(ProviderBean.class);
            for (String name : providerBeanNames) {
                try {
                    logger.info("尝试关闭JSF生产者" + name);
                    ProviderBean bean=(ProviderBean)applicationContext.getBean(name);
                    bean.destroy();
                    logger.info("关闭JSF生产者" + name + "成功");
                } catch (BeanCreationNotAllowedException re){
                    logger.error("JSF生产者" + name + "未初始化，忽略");
                } catch (Exception e) {
                    logger.error("关闭JSF生产者失败", e);
                }
            }
        }
        logger.info("所有JSF生产者已关闭");
    }

    @Override
    public void setApplicationContext(ApplicationContext applicationContext) throws BeansException {
        this.applicationContext = applicationContext;
        ((AbstractApplicationContext)applicationContext).registerShutdownHook();
    }

}

· absfactory-base-custcenter应用优雅停机出现日志无法打印问题，排查定位发现问题如下：通过本地 debug 发现优雅停机先销毁logback日志打印线程，导致实际倒计时的日志无法打印。

    <!--	fix-程序关停时，logback先销毁的问题-->
    <context-param>
        <param-name>logbackDisableServletContainerInitializer</param-name>
        <param-value>true</param-value>
    </context-param>