Spring boot 2.0 之优雅停机

spring boot 框架在生产环境使用的有一段时间了，它“约定大于配置”的特性，体现了优雅流畅的开发过程，它的部署启动方式（java -jar xxx.jar）也很优雅。但是我使用的停止应用的方式是 kill -9 进程号，即使写了脚本，还是显得有些粗鲁。这样的应用停止方式，在停止的那一霎那，应用中正在处理的业务逻辑会被中断，导致产生业务异常情形。这种情况如何避免，本文介绍的优雅停机，将完美解决该问题。

00 前言

什么叫优雅停机？简单说就是，在对应用进程发送停止指令之后，能保证正在执行的业务操作不受影响。应用接收到停止指令之后的步骤应该是，停止接收访问请求，等待已经接收到的请求处理完成，并能成功返回，这时才真正停止应用。

这种完美的应用停止方式如何实现呢？就Java语言生态来说，底层的技术是支持的，所以我们才能实现在Java语言之上的各个web容器的优雅停机。

在普通的外置的tomcat中，有shutdown脚本提供优雅的停机机制，但是我们在使用Spring boot的过程中发现web容器都是内置（当然也可使用外置，但是不推荐），这种方式提供简单的应用启动方式，方便的管理机制，非常适用于微服务应用中，但是默认没有提供优雅停机的方式。这也是本文探索这个问题的根本原因。

应用是否是实现了优雅停机，如何才能验证呢？这需要一个处理时间较长的业务逻辑，模拟这样的逻辑应该很简单，使用线程sleep或者长时间循环。我的模拟业务逻辑代码如下：

@GetMapping(value = "/sleep/one", produces = "application/json")
public ResultEntity<Long> sleepOne(String systemNo){
    logger.info("模拟业务处理1分钟，请求参数：{}", systemNo);
    Long serverTime = System.currentTimeMillis();
//        try {
//            Thread.sleep(60*1000L);
//        } catch (InterruptedException e) {
//            e.printStackTrace();
//        }
    while (System.currentTimeMillis() < serverTime + (60 * 1000)){
        logger.info("正在处理业务，当前时间：{}，开始时间：{}", System.currentTimeMillis(), serverTime);
    }
    ResultEntity<Long> resultEntity = new ResultEntity<>(serverTime);
    logger.info("模拟业务处理1分钟，响应参数：{}", resultEntity);
    return resultEntity;
}

验证方式就是，在触发这个接口的业务处理之后，业务逻辑处理时间长达1分钟，需要在处理结束前，发起停止指令，验证是否能够正常返回。验证时所使用的kill指令：kill -2（Ctrl + C）、kill -15、kill -9。

01 Java 语言的优雅停机

从上面的介绍中我们发现，Java语言本身是支持优雅停机的，这里就先介绍一下普通的java应用是如何实现优雅停止的。

当我们使用kill PID的方式结束一个Java应用的时候，JVM会收到一个停止信号，然后执行shutdownHook的线程。一个实现示例如下：

public class ShutdownHook extends Thread {
    private Thread mainThread;
    private boolean shutDownSignalReceived;

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Shut down signal received.");
        this.shutDownSignalReceived=true;
        mainThread.interrupt();
        try {
            mainThread.join(); //当收到停止信号时，等待mainThread的执行完成
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        System.out.println("Shut down complete.");
    }

    public ShutdownHook(Thread mainThread) {
        super();
        this.mainThread = mainThread;
        this.shutDownSignalReceived = false;
        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(this);
    }

    public boolean shouldShutDown(){
        return shutDownSignalReceived;
    }

}

其中关键语句Runtime.getRuntime().addShutdownHook(this);，注册一个JVM关闭的钩子，这个钩子可以在以下几种场景被调用：

  1. 程序正常退出
  2. 使用System.exit()
  3. 终端使用Ctrl+C触发的中断
  4. 系统关闭
  5. 使用Kill pid命令干掉进程

测试shutdownHook的功能，代码示例：

public class TestMain {
    private ShutdownHook shutdownHook;
    public static void main( String[] args ) {
        TestMain app = new TestMain();
        System.out.println( "Hello World!" );
        app.execute();
        System.out.println( "End of main()" );
    }
    public TestMain(){
        this.shutdownHook = new ShutdownHook(Thread.currentThread());
    }
    public void execute(){
        while(!shutdownHook.shouldShutDown()){
            System.out.println("I am sleep");
            try {
                Thread.sleep(1*1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("execute() interrupted");
            }
            System.out.println("I am not sleep");
        }
        System.out.println("end of execute()");
    }
}

启动测试代码，之后再发送一个中断信号，控制台输出：

I am sleep
I am not sleep
I am sleep
I am not sleep
I am sleep
I am not sleep
I am sleep
Shut down signal received.
execute() interrupted
I am not sleep
end of execute()
End of main()
Shut down complete.

Process finished with exit code 130 (interrupted by signal 2: SIGINT)

可以看出，在接收到中断信号之后，整个main函数是执行完成的。

02 actuator/shutdown of Spring boot

我们知道了java本身在支持优雅停机上的能力，然后在Spring boot中又发现了actuator/shutdown的管理端点。于是我把优雅停机的功能寄希望于此，开始配置测试，开启配置如下：

management:
  server:
    port: 10212
    servlet:
      context-path: /
    ssl:
      enabled: false
  endpoints:
    web:
      exposure:
        include: "*"
  endpoint:
    health:
      show-details: always
    shutdown:
      enabled: true #启用shutdown端点

测试结果很失望，并没有实现优雅停机的功能，就是将普通的kill命令，做成了HTTP端点。于是开始查看Spring boot的官方文档和源代码，试图找到它的原因。

在官方文档上对shutdown端点的介绍：

shutdown    Lets the application be gracefully shutdown.

从此介绍可以看出，设计上应该是支持优雅停机的。但是为什么现在还不够优雅，在github上托管的Spring boot项目中发现，有一个issue一直处于打开状态，已经两年多了，里面很多讨论，看完之后发现在Spring boot中完美的支持优雅停机不是一件容易的事，首先Spring boot支持web容器很多，其次对什么样的实现才是真正的优雅停机，讨论了很多。想了解更多的同学，把这个issue好好阅读一下。

这个issue中还有一个重要信息，就是这个issue曾经被加入到2.0.0的milestone中，后来由于没有完成又移除了，现在状态是被添加在2.1.0的milestone中。我测试的版本是2.0.1，期待官方给出完美的优雅停机方案。

03 Spring boot 优雅停机

虽然官方暂时还没有提供优雅停机的支持，但是我们为了减少进程停止对业务的影响，还是要给出能满足基本需求的方案来。

针对tomcat的解决方案是：

package com.epay.demox.unipay.provider;

import org.apache.catalina.connector.Connector;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.boot.web.embedded.tomcat.TomcatConnectorCustomizer;
import org.springframework.context.ApplicationListener;
import org.springframework.context.event.ContextClosedEvent;
import org.springframework.stereotype.Component;

import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @Author: guoyankui
 * @DATE: 2018/5/20 12:59 PM
 *
 * 优雅关闭 Spring Boot tomcat
 */

@Component
public class GracefulShutdownTomcat implements TomcatConnectorCustomizer, ApplicationListener<ContextClosedEvent> {
    private final Logger log = LoggerFactory.getLogger(GracefulShutdownTomcat.class);
    private volatile Connector connector;
    private final int waitTime = 30;
    @Override
    public void customize(Connector connector) {
        this.connector = connector;
    }
    @Override
    public void onApplicationEvent(ContextClosedEvent contextClosedEvent) {
        this.connector.pause();
        Executor executor = this.connector.getProtocolHandler().getExecutor();
        if (executor instanceof ThreadPoolExecutor) {
            try {
                ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = (ThreadPoolExecutor) executor;
                threadPoolExecutor.shutdown();
                if (!threadPoolExecutor.awaitTermination(waitTime, TimeUnit.SECONDS)) {
                    log.warn("Tomcat thread pool did not shut down gracefully within " + waitTime + " seconds. Proceeding with forceful shutdown");
                }
            } catch (InterruptedException ex) {
                Thread.currentThread().interrupt();
            }
        }
    }
}

public class UnipayProviderApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(UnipayProviderApplication.class);
    }

    @Autowired
    private GracefulShutdownTomcat gracefulShutdownTomcat;

    @Bean
    public ServletWebServerFactory servletContainer() {
        TomcatServletWebServerFactory tomcat = new TomcatServletWebServerFactory();
        tomcat.addConnectorCustomizers(gracefulShutdownTomcat);
        return tomcat;
    }
}

该方案的代码来自官方issue中的讨论，添加这些代码到你的Spring boot项目中，然后再重新启动之后，发起测试请求，然后发送kill停止指令（kill -2（Ctrl + C）、kill -15）。测试结果：

  1. Spring boot的健康检查，为UP。
  2. 正在执行操作不会终止，直到执行完成。
  3. 不再接收新的请求，客户端报错信息为：Connection reset by peer。
  4. 最后正常终止进程（业务执行完成后，立即进程停止）。

从测试结果来看，是满足我们的需求的。当然如果发送指令kill -9，进程会立即停止。

针对undertow的解决方案是：

package com.epay.demox.unipay.provider;

import io.undertow.Undertow;
import io.undertow.server.ConnectorStatistics;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.boot.web.embedded.undertow.UndertowServletWebServer;
import org.springframework.boot.web.servlet.context.ServletWebServerApplicationContext;
import org.springframework.context.ApplicationListener;
import org.springframework.context.event.ContextClosedEvent;
import org.springframework.stereotype.Component;

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.List;

/**
 * @Author: guoyankui
 * @DATE: 2018/5/20 5:47 PM
 *
 * 优雅关闭 Spring Boot undertow
 */
@Component
public class GracefulShutdownUndertow implements ApplicationListener<ContextClosedEvent> {

    @Autowired
    private GracefulShutdownUndertowWrapper gracefulShutdownUndertowWrapper;

    @Autowired
    private ServletWebServerApplicationContext context;

    @Override
    public void onApplicationEvent(ContextClosedEvent contextClosedEvent){
        gracefulShutdownUndertowWrapper.getGracefulShutdownHandler().shutdown();
        try {
            UndertowServletWebServer webServer = (UndertowServletWebServer)context.getWebServer();
            Field field = webServer.getClass().getDeclaredField("undertow");
            field.setAccessible(true);
            Undertow undertow = (Undertow) field.get(webServer);
            List<Undertow.ListenerInfo> listenerInfo = undertow.getListenerInfo();
            Undertow.ListenerInfo listener = listenerInfo.get(0);
            ConnectorStatistics connectorStatistics = listener.getConnectorStatistics();
            while (connectorStatistics.getActiveConnections() > 0){}
        }catch (Exception e){
            // Application Shutdown
        }
    }
}

package com.epay.demox.unipay.provider;

import io.undertow.server.HandlerWrapper;
import io.undertow.server.HttpHandler;
import io.undertow.server.handlers.GracefulShutdownHandler;
import org.springframework.stereotype.Component;

/**
 * @Author: guoyankui
 * @DATE: 2018/5/20 5:50 PM
 */
@Component
public class GracefulShutdownUndertowWrapper implements HandlerWrapper {
    private GracefulShutdownHandler gracefulShutdownHandler;
    @Override
    public HttpHandler wrap(HttpHandler handler) {
        if(gracefulShutdownHandler == null) {
            this.gracefulShutdownHandler = new GracefulShutdownHandler(handler);
        }
        return gracefulShutdownHandler;
    }
    public GracefulShutdownHandler getGracefulShutdownHandler() {
        return gracefulShutdownHandler;
    }
}

public class UnipayProviderApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(UnipayProviderApplication.class);
    }
    @Autowired
    private GracefulShutdownUndertowWrapper gracefulShutdownUndertowWrapper;
    @Bean
    public UndertowServletWebServerFactory servletWebServerFactory() {
        UndertowServletWebServerFactory factory = new UndertowServletWebServerFactory();
        factory.addDeploymentInfoCustomizers(deploymentInfo -> deploymentInfo.addOuterHandlerChainWrapper(gracefulShutdownUndertowWrapper));
        factory.addBuilderCustomizers(builder -> builder.setServerOption(UndertowOptions.ENABLE_STATISTICS, true));
        return factory;
    }
}

该方法参考文章，采用与tomcat同样的测试方案，测试结果：

  1. Spring boot的健康检查，为UP。
  2. 正在执行操作不会终止，直到执行完成。
  3. 不再接收新的请求，客户端报错信息为：503 Service Unavailable。
  4. 最后正常终止进程（在业务执行完成后的一分钟进程停止）。

04 结束

到此为止，对Java和Spring boot应用的优雅停机机制有了基本的认识。虽然实现了需求，但是这其中还有很多知识点需要探索，比如Spring上下文监听器，上下文关闭事件等，还有undertow提供的GracefulShutdownHandler的原理是什么，为什么是1分钟之后进程再停止，这些问题等研究明白，再来一篇续。如果又哪位同学能解答我的疑惑，请在评论区留言。

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