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Netty优雅退出机制和原理(转)

Posted on 2016-07-13 09:39 疯狂 阅读(213) 评论(0)  编辑  收藏 所属分类: netty
转载自:http://www.infoq.com/cn/articles/netty-elegant-exit-mechanism-and-principles

1.进程的优雅退出

1.1.Kill -9 PID带来的问题

在Linux上通常会通过kill -9 pid的方式强制将某个进程杀掉,这种方式简单高效,因此很多程序的停止脚本经常会选择使用kill -9 pid的方式。

无论是Linux的Kill -9 pid还是windows的taskkill /f /pid强制进程退出,都会带来一些副作用:对应用软件而言其效果等同于突然掉电,可能会导致如下一些问题:

  1. 缓存中的数据尚未持久化到磁盘中,导致数据丢失;
  2. 正在进行文件的write操作,没有更新完成,突然退出,导致文件损坏;
  3. 线程的消息队列中尚有接收到的请求消息还没来得及处理,导致请求消息丢失;
  4. 数据库操作已经完成,例如账户余额更新,准备返回应答消息给客户端时,消息尚在通信线程的发送队列中排队等待发送,进程强制退出导致应答消息没有返回给客户端,客户端发起超时重试,会带来重复更新问题;
  5. 其它问题等...

1.2.JAVA优雅退出

Java的优雅停机通常通过注册JDK的ShutdownHook来实现,当系统接收到退出指令后,首先标记系统处于退出状态,不再接收新的消息,然后将积压的消息处理完,最后调用资源回收接口将资源销毁,最后各线程退出执行。

通常优雅退出需要有超时控制机制,例如30S,如果到达超时时间仍然没有完成退出前的资源回收等操作,则由停机脚本直接调用kill -9 pid,强制退出。

2. 如何实现Netty的优雅退出

要实现Netty的优雅退出,首先需要了解通用Java进程的优雅退出如何实现。下面我们先讲解下优雅退出的实现原理,并结合实际代码进行讲解。最后看下如何实现Netty的优雅退出。

2.0.1. 信号简介

信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟,在原理上,一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的,它是进程间一种异步通信的机制。以Linux的kill命令为例,kill -s SIGKILL pid (即kill -9 pid) 立即杀死指定pid的进程,SIGKILL就是发送给pid进程的信号。

信号具有平台相关性,Linux平台支持的一些终止进程信号如下所示:

 

信号名称

用途

SIGKILL

终止进程,强制杀死进程

SIGTERM

终止进程,软件终止信号

SIGTSTP

停止进程,终端来的停止信号

SIGPROF

终止进程,统计分布图用计时器到时

SIGUSR1

终止进程,用户定义信号1

SIGUSR2

终止进程,用户定义信号2

SIGINT

终止进程,中断进程

SIGQUIT

建立CORE文件终止进程,并且生成core文件

Windows平台存在一些差异,它的一些信号举例如下:SIGINT(Ctrl+C中断)、SIGILL、SIGTERM (kill发出的软件终止)、SIGBREAK (Ctrl+Break中断)。

信号选择:为了不干扰正常信号的运作,又能模拟Java异步通知,在Linux上我们需要先选定一种特殊的信号。通过查看信号列表上的描述,发现 SIGUSR1 和 SIGUSR2 是允许用户自定义的信号,我们可以选择SIGUSR2,为了测试方便,在Windows上我们可以选择SIGINT。

2.0.2. Java程序的优雅退出

首先看下通用的Java进程优雅退出的流程图:

第一步,应用进程启动的时候,初始化Signal实例,它的代码示例如下:

Signal sig = new Signal(getOSSignalType());

其中Signal构造函数的参数为String字符串,也就是2.1.1小节中介绍的信号量名称。

第二步,根据操作系统的名称来获取对应的信号名称,代码如下:

private String getOSSignalType()    {        return System.getProperties().getProperty("os.name"). 		 toLowerCase().startsWith("win") ? "INT" : "USR2";     }

判断是否是windows操作系统,如果是则选择SIGINT,接收Ctrl+C中断的指令;否则选择USR2信号,接收SIGUSR2(等价于kill -12 pid)指令。

第三步,将实例化之后的SignalHandler注册到JDK的Signal,一旦Java进程接收到kill -12 或者 Ctrl+C则回调handle接口,代码示例如下:

Signal.handle(sig, shutdownHandler);

其中shutdownHandler实现了SignalHandler接口的handle(Signal sgin)方法,代码示例如下:

第四步,在接收到信号回调的handle接口中,初始化JDK的ShutdownHook线程,并将其注册到Runtime中,示例代码如下:

private void invokeShutdownHook()  { 	Thread t = new Thread(new ShutdownHook(), "ShutdownHook-Thread"); 	Runtime.getRuntime().addShutdownHook(t);  }

第五步,接收到进程退出信号后,在回调的handle接口中执行虚拟机的退出操作,示例代码如下:

Runtime.getRuntime().exit(0);

虚拟机退出时,底层会自动检测用户是否注册了ShutdownHook任务,如果有,则会自动将ShutdownHook线程拉起,执行它的Run方法,用户只需要在ShutdownHook中执行资源释放操作即可,示例代码如下:

class ShutdownHook implements Runnable { 	@Override 	public void run() { 		System.out.println("ShutdownHook execute start..."); 		System.out.print("Netty NioEventLoopGroup shutdownGracefully..."); 		try { 			TimeUnit.SECONDS.sleep(10);//模拟应用进程退出前的处理操作 		} catch (InterruptedException e) { 				e.printStackTrace(); 		} 		System.out.println("ShutdownHook execute end..."); 	System.out.println("Sytem shutdown over, the cost time is 10000MS"); 		} }

下面我们在Windows环境中对通用的Java优雅退出程序进行测试,打开CMD控制台,拉起待测试程序,如下所示:

启动进程:

查看线程信息,发现注册的ShutdownHook线程没有启动,符合预期:

在控制台执行Ctrl+C,使进程退出,示例如下:

如上图所示,我们定义的ShutdownHook线程在JVM退出时被执行,作为测试程序,它休眠10S之后退出,控制台打印的相关信息如下:

下面我们总结下通用的Java程序优雅退出的技术要点:

2.0.3. Netty的优雅退出

在实际项目中,Netty作为高性能的异步NIO通信框架,往往用作基础通信框架负责各种协议的接入、解析和调度等,例如在RPC和分布式服务框架中,往往会使用Netty作为内部私有协议的基础通信框架。

当应用进程优雅退出时,作为通信框架的Netty也需要优雅退出,主要原因如下:

  1. 尽快的释放NIO线程、句柄等资源;
  2. 如果使用flush做批量消息发送,需要将积攒在发送队列中的待发送消息发送完成;
  3. 正在write或者read的消息,需要继续处理;
  4. 设置在NioEventLoop线程调度器中的定时任务,需要执行或者清理。

下面我们看下Netty优雅退出涉及的主要操作和资源对象:

Netty的优雅退出总结起来有三大步操作:

  1. 把NIO线程的状态位设置成ST_SHUTTING_DOWN状态,不再处理新的消息(不允许再对外发送消息);
  2. 退出前的预处理操作:把发送队列中尚未发送或者正在发送的消息发送完、把已经到期或者在退出超时之前到期的定时任务执行完成、把用户注册到NIO线程的退出Hook任务执行完成;
  3. 资源的释放操作:所有Channel的释放、多路复用器的去注册和关闭、所有队列和定时任务的清空取消,最后是NIO线程的退出。

下面我们具体看下如何实现Netty的优雅退出:

Netty优雅退出的接口和总入口在EventLoopGroup,调用它的shutdownGracefully方法即可,相关代码如下:

bossGroup.shutdownGracefully();  workerGroup.shutdownGracefully();

除了无参的shutdownGracefully方法,还可以指定退出的超时时间和周期,相关接口定义如下:

EventLoopGroup的shutdownGracefully工作原理下个章节做详细讲解,结合Java通用的优雅退出机制,即可实现Netty的优雅退出,相关伪代码如下:

//统一定义JVM退出事件,并将JVM退出事件作为主题对进程内部发布 //所有需要优雅退出的消费者订阅JVM退出事件主题 //监听JVM退出的ShutdownHook被启动之后,发布JVM退出事件 //消费者监听到JVM退出事件,开始执行自身的优雅退出 //如果所有的非守护线程都成功完成优雅退出,进程主动退出 //如果到了退出的超时时间仍然没正常退出,则由停机脚本通过kill -9 pid强杀进程,强制退出

总结一下:JVM的ShutdownHook被触发之后,调用所有EventLoopGroup实例的shutdownGracefully方法进行优雅退出。由于Netty自身对优雅退出有较完善的支持,所以实现起来相对比较简单。

2.0.4. 一些误区

在实际工作中,由于对优雅退出和资源释放的原理不太清楚,或者对Netty的接口不太了解,很容易把优雅退出和资源释放混淆,导致出现各种问题。

如下案例:本意是想把某个Channel关闭,但是却调用了Channel关联的EventLoop的shutdownGracefully,导致把EventLoop线程和注册在该线程持有的多路复用器上所有的Channel都关闭了,错误代码如下所示:

ctx.channel().eventLoop().shutdownGracefully();

正确的做法如下所示:调用channel的close方法,关闭链路,释放与该Channel相关的资源:

ctx.channel().close();

除非是整个进程优雅退出,一般情况下不会调用EventLoopGroup和EventLoop的shutdownGracefully方法,更多的是链路channel的关闭和资源释放。

3. Netty优雅退出原理分析

Netty优雅退出涉及到线程组、线程、链路、定时任务等,底层实现细节非常复杂,下面我们就层层分解,通过源码来剖析它的实现原理。

3.1. NioEventLoopGroup

NioEventLoopGroup实际是NioEventLoop的线程组,它的优雅退出比较简单,直接遍历EventLoop数组,循环调用它们的shutdownGracefully方法,源码如下:

3.2. NioEventLoop

调用NioEventLoop的shutdownGracefully方法,首先就是要修改线程状态为正在关闭状态,它的实现在父类SingleThreadEventExecutor中,它们的继承关系如下:

SingleThreadEventExecutor的shutdownGracefully代码比较简单,就是修改线程的状态位,需要注意的是修改时需要对并发调用做判断,如果是由NioEventLoop自身调用,则不需要加锁,否则需要加锁,代码如下:

解释下为什么要加锁,因为shutdownGracefully是public的方法,任何能够获取到NioEventLoop的代码都可以调用它,在Netty中,业务代码通常不需要直接获取NioEventLoop并操作它,但是Netty对NioEventLoop做了比较厚的封装,它不仅仅只能读写消息,还能够执行定时任务,并作为线程池执行用户自定义Task。因此在Channel中将获取NioEventLoop的方法开放了出来,这就意味着用户只要能够获取到Channel,理论上就会存在并发执行shutdownGracefully的可能,因此在优雅退出的时候做了并发保护。

完成状态修改之后,剩下的操作主要在NioEventLoop中进行,代码如下:

我们继续看下closeAll的实现,它的原理是把注册在selector上的所有Channel都关闭,但是有些Channel正在发送消息,暂时还不能关,需要稍后再执行,核心代码如下:

循环调用Channel Unsafe的close方法,下面我们跳转到Unsafe中,对close方法进行分析。

3.3. AbstractUnsafe

AbstractUnsafe的close方法主要做了如下几件事:

1.判断当前该链路是否有消息正在发送,如果有则将关闭操作封装成Task放到eventLoop中稍后再执行:

2.将发送队列清空,不再允许发送新的消息:

3.调用SocketChannel的close方法,关闭链路:

4.调用pipeline的fireChannelInactive,触发链路关闭通知事件:

5.最后是调用deregister,从多路复用器上取消SelectionKey:

至此,优雅退出流程已经完成,这是否意味着NioEventLoop线程可以退出了,其实并非如此。

在此处,只是做了Channel的关闭和从Selector上的去注册,总结如下:

  1. 通过inFlush0来判断当前是否正在发送消息,如果是,则不执行Channel关闭动作,放入NIO线程的任务队列中稍后再执行close()操作;
  2. 因为已经不允许新的发送消息加入,一旦发送操作完成,就执行链路关闭、触发链路关闭事件和从Selector上取消注册操作。

之前已经说了,NioEventLoop除了I/O读写之外,还兼具定时任务执行、关闭ShutdownHook的执行等,如果此时有到期的定时任务,即使Chanel已经关闭,但是仍然需要继续执行,线程不能退出。下面我们具体分析下TaskQueue的处理流程。

3.4. TaskQueue

NioEventLoop执行完closeAll()操作之后,需要调用confirmShutdown看是否真的能够退出,它的处理逻辑如下:

1.执行TaskQueue中排队的Task,代码如下:

2.执行注册到NioEventLoop中的ShutdownHook,代码如下:

3.判断是否到达优雅退出的指定超时时间,如果达到或者过了超时时间,则立即退出,代码如下:

4.如果没到达指定的超时时间,暂时不退出,每隔100MS检测下是否有新的任务加入,有则继续执行:

在confirmShutdown方法中,夹杂了一些对已经废弃的shutdown()方法的处理,例如:

调用新的shutdownGracefully系列方法,该判断条件是永远都不会成立的,因此对于已经废弃的shutdown相关的处理逻辑,不再详细分析。

到此为止,confirmShutdown方法讲解完毕,confirmShutdown返回true,则NioEventLoop线程正式退出,Netty的优雅退出完成,代码如下:

3.5. 疑问解答

3.5.1. runAllTasks重复执行问题

在NioEventLoop的run方法中,已经调用了runAllTasks方法,为何紧随其后,在confirmShutdown中有继续调用runAllTasks方法呢,疑问代码如下:

原因主要有两个:

1.为了防止定时任务Task或者用户自定义的线程Task的执行过多占用NioEventLoop线程的调度资源,Netty对NioEventLoop线程I/O操作和非I/O操作时间做了比例限制,即限制非I/O操作的执行时间,如上图红框中代码所示。有了执行时间限制,因此可能会导致已经到期的定时任务、普通任务没有执行完,需要等待下次Selector轮询继续执行。在线程退出之前,需要对本该执行但是没有执行完成的Task进行扫尾处理,所以在confirmShutdown中再次调用了runAllTasks方法;

2.在调用runAllTasks方法之后,执行confirmShutdown之前,用户向NioEventLoop中添加了新的普通任务或者定时任务,因此需要在退出之前再次遍历并处理一遍Task Queue。

3.5.2. 优雅退出是否能够保证所有在通信线程排队的消息全部发送出去

实际是无法保证的,它只能保证如果现在正在发送消息过程中,调用了优雅退出方法,此时不会关闭链路,继续发送,如果发送操作完成,无论是否还有消息尚未发送出去,在下一轮Selector的轮询中,链路将会关闭,没有发送完成的消息将会被丢弃,甚至是半包消息。它的处理原理图如下:

它的原理比较复杂,现对主要逻辑处理进行解读:

  1. 调用优雅退出之后,是否关闭链路,判断标准是inFlush0是否为true,如果为False,则会执行链路关闭操作;
  2. 如果用户是类似批量发送,例如每达到N条或者定时触发flush操作,则在此期间调用优雅退出方法,inFlush0为False,链路关闭,积压的待发送消息会被丢弃掉;
  3. 如果优雅退出时链路正好在发送消息过程中,则它不会立即退出,等待发送完成之后,下次Selector轮询的时候才退出。在这种场景下,又有两种可能的场景:

场景A:如果一次把积压的消息全部发送完,没有发生写半包,则不会发生消息丢失;

场景B:如果一次没有把消息发送完成,此时Netty会监听写事件,触发Selector的下一次轮询并发送消息,代码如下:

Selector轮询时,首先处理读写事件,然后再处理定时任务和普通任务,因此在链路关闭之前,还有最后一次继续发送的机会,代码如下:

如果非常不幸,再次发送仍然没有把积压的消息全部发送完毕,再次发生了写半包,那无论是否有积压消息,执行AbstractUnsafe.close的Task还是会把链路给关闭掉,原因是只要完成一次消息发送操作,Netty就会把inFlush0置为false,代码如下:

链路关闭之后,所有尚未发送的消息都将被丢弃。

可能有些读者会有疑问,如果在第二次发送之后,执行AbstractUnsafe.close之前,业务正好又调用了flush操作,inFlush0是否会被修改成True呢?这个是不可能的,因为从Netty 4.X之后线程模型发生了变更,flush操作不是由用户线程执行,而是由Channel对应的NioEventLoop线程执行,所以在两者之间不会发生inFlush0被修改的情况。

Netty 4.X之后的线程模型如下所示:

另外,由于优雅退出有超时时间,如果在超时时间内没有完成积压消息的发送,也会发生消息丢弃的情况。

对于上述场景,需要应用层来保证相关的可靠性,或者对Netty的优雅退出机制进行优化。

4. 作者简介

李林锋,2007年毕业于东北大学,2008年进入华为公司从事电信软件的设计和开发工作,有多年Java NIO、平台中间件设计和开发经验,精通Netty、Mina、分布式服务框架等,《Netty权威指南》、《分布式服务框架原理与实践》作者。目前从事云平台相关的架构和设计工作。


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