如何儲存/恢復Java應用程式核心記憶體資料現場？

buildupchao發表於2019-02-02
Java記憶體

0. 背景

不論是單體應用還是分散式應用，總是會有些許迭代或者緊急Fix bug上線的神操作。但是如果不是那麼幸運，當時還存在大量核心記憶體中資料在進行計算等邏輯，此時終止專案，就會出現核心資料或者狀態丟失的不利情況，後續即使上線完成也要儘快追加資料。

那是否存在某種技巧???：在需要終止應用的時候，能夠監聽到終止操作，並儲存核心資料現場，然後再終止應用，而後在應用恢復後，再進行核心資料恢復。

答案是肯定的。
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0.1 技術儲備

Runtime.getRuntime().addShutdownHook(Thread thread);
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我們可以藉助於JDK為我們所提供的上述鉤子方法。這個方法的意思就是在JVM中增加一個關閉的鉤子，當JVM關閉的時候，會執行系統中已經設定的所有通過方法addShutdownHook新增的鉤子，當系統執行完這些鉤子後，JVM才會關閉。所以這些鉤子可以在JVM關閉的時候進行記憶體清理、物件銷燬以及核心資料現場儲存等操作。

1. 假設一種場景

1.1 儲存現場，為應用保駕護航

我們應用程式執行中，在記憶體中儲存著Map<String, User>（使用者唯一識別符號和使用者資訊的對映關係），此時，突然需要緊急處理某個bug並打包上線。

使用者對映關係已經建立好了，我們總不能因為緊急上線就讓使用者重新登入一次，只是為了構建這個對映關係？？？這樣顯然不是很合理，其次還有使用者流失的風險，我們怎麼可以去冒著被大boss怒懟這般的大風險呢，搞不好年終獎還沒有，哈哈哈哈哈……

那我們換個思路，我們要解決的問題是什麼呢？因為Map<String, User>是在記憶體中儲存的，一但應用終止，記憶體資源釋放，記憶體中資料當然無存……所以，我們的目標就是儲存這個處於記憶體中的Map物件，對不對？那就簡單了，我們可以把這個物件序列化儲存到本地檔案裡面不就好了嗎？是不是很簡單？然後呢，只需要在應用程式被終止前序列化且儲存到本地檔案，就可以了。

理好了思路，那就開始Coding吧！

	private static final HashMap<String, User> cacheData = new HashMap<>();
    private static final String filePath = System.getProperty("user.dir")
				     			+ File.separator + "save_point.binary";

	Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                saveData();
            }
        });

	private static void saveData() {
        ObjectOutputStream oos = null;
        try {
            File cacheFile = new File(filePath);
            if (!cacheFile.exists()) {
                cacheFile.createNewFile();
            }
            oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(filePath));
            oos.writeObject(cacheData);
            oos.flush();
        } catch (IOException ex) {
            LOGGER.error("save memory data error", ex);
        } finally {
            try {
                if (oos != null) {
                    oos.close();
                }
            } catch (IOException ex) {
                LOGGER.error("close ObjectOutputStream error", ex);
            }
        }
    }
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這樣我們就可以保證Map<String, User>這個對映關係儲存好了。

1.2 恢復現場，讓應用快速飛翔

既然我們儲存了記憶體資料現場，那在應用啟動後，我們相應的也需要進行資料現場恢復，這樣才能保證應用平滑過渡到終止前狀態，同時使用者還能無感知。

繼續Coding...

	@PostConstruct
	public void resoverData() {
        ObjectInputStream ois = null;
        try {
            File cacheFile = new File(filePath);
            if (cacheFile.exists()) {
                ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(filePath));
                Map<String, User> cacheMap =
                					(Map<String, User>) ois.readObject();
                for (Map.Entry<String, User> entry : cacheMap.entrySet()) {
                    cacheData.put(entry.getKey(), entry.getValue());
                }
                LOGGER.info("Recover memory data successfully, cacheData={}"
                							, cacheData.toString());
            }
        } catch (Exception ex) {
            LOGGER.error("recover memory data error", ex);
        } finally {
            try {
                if (ois != null) {
                    ois.close();
                }
            } catch (IOException ex) {
                LOGGER.error("close ObjectInputStream error", ex);
            }
        }
    }
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是不是整個過程似曾相識？沒錯，就是Java IO流 ObjectInputStream和ObjectOutputStream的應用。但是有一點需要注意，使用物件流的時候，需要保證被序列化的物件必須實現了Serializable介面，這樣才能正常使用。

應用整體呼叫邏輯如下（測試的時候，第一次需要正常呼叫generateAndPutData()方法，終止專案儲存現場後，需要把generateAndPutData()註釋掉，看看時候正確恢復現場了。）：

	@SpringBootApplication
	public class SavePointApplication {

    private static final Logger LOGGER =
    				LoggerFactory.getLogger(SavePointApplication.class);

    private static final HashMap<String, User> cacheData = new HashMap<>();
    private static final String filePath = System.getProperty("user.dir")
    				+ File.separator + "save_point.binary";

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

        LOGGER.info("save_point filePath={}", filePath);
        generateAndPutData();

        Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                saveData();
            }
        });
    }

	private static void generateAndPutData() {
        cacheData.put("test1", new User(1L, "testName1"));
        cacheData.put("test2", new User(2L, "testName2"));
        cacheData.put("test3", new User(3L, "testName3"));
    }
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2. Fuck! 沒有儲存現場?!

為什麼應用程式終止時沒有儲存現場狀態呢？那就要細說一下關閉鉤子(shutdown hooks)了。

  • 如果JVM因異常關閉，那麼子執行緒（Hook本質上也是子執行緒）將不會停止。但在JVM被強行關閉時，這些執行緒都會被強行結束。

  • 關閉鉤子本質是一個執行緒（也稱為Hook執行緒），用來監聽JVM的關閉。通過Runtime的addShutdownHook可以向JVM註冊一個關閉鉤子。Hook執行緒在JVM正常關閉才會執行，強制關閉時不會執行。

  • JVM中註冊的多個關閉鉤子是併發執行的，無法保證執行順序，當所有Hook執行緒執行完畢，runFinalizersOnExit為true,JVM會先執行終結器，然後停止。

所以，如果我們直接使用的kill -9 processId命令直接強制關閉的應用程式，JVM都被強制關閉了，還怎麼執行我們的Java程式碼呢？嘿嘿，所以我們可以嘗試著用如下命令替代kill -9 processId:

kill processId
kill -2 processId
kill -15 processId
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通過上述命令進行終止應用的時候，是不是我們看到我們專案下成功生成了 save_point.binary 檔案了，哈哈哈哈哈……

3. 使用關閉鉤子有哪些注意事項呢？

  • hook執行緒會延遲JVM的關閉時間，所以儘可能減少執行時間。
  • 關閉鉤子中不要呼叫system.exit()，會卡主JVM的關閉過程。但是可以呼叫Runtime.halt()
  • 不能在鉤子中進行鉤子的新增和刪除，會拋IllegalStateException
  • 在system.exit()後新增的鉤子無效，因為此時JVM已經關閉了。
  • 當JVM收到SIGTERM命令（比如作業系統在關閉時）後，如果鉤子執行緒在一定時間沒有完成，那麼Hook執行緒可能在執行過程中被終止。
  • Hook執行緒也會拋錯，若未捕獲，則鉤子的執行序列會被停止。

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