实力讲解Tomcat NIO模式如何最大化压榨CPU

王新栋 2018-03-28 20:12:52

作者介绍

王新栋从事京东京麦平台的架构设计与开发工作。熟悉各种开源软件架构,在web开发,架构优化上有较丰富的实战经历。有多年在NIO领域的设计、开发经验,对HTTP、TCP长连接技术有深入研究与领悟,目前主要致力于移动与PC平台网关技术的优化与实现。

个人公众号:程序架道(xindongbook17),本文经作者同意授权转载。

 

一、I/O复用模型解读
 

 

Tomcat的NIO是基于I/O复用来实现的。对这点一定要清楚,不然我们的讨论就不在一个逻辑线上。

 

下面这张图学习过I/O模型知识的一般都见过,出自《UNIX网络编程》,I/O模型一共有阻塞式I/O、非阻塞式I/O、I/O复用(select/poll/epoll)、信号驱动式I/O和异步I/O。这篇文章讲的是I/O复用。

 

图源:《UNIX网络编程》

 

这里先来说下用户态和内核态。直白来讲,如果线程执行的是用户代码,当前线程处在用户态,如果线程执行的是内核里面的代码,当前线程处在内核态。更深层来讲,操作系统为代码所处的特权级别分了4个级别。不过现代操作系统只用到了0和3两个级别。0和3的切换就是用户态和内核态的切换。更详细的可参照书籍《深入理解计算机操作系统》。

 

I/O复用模型,是同步非阻塞,这里的非阻塞是指I/O读写,对应的是recvfrom操作,因为数据报文已经准备好,无需阻塞。说它是同步,是因为这个执行是在一个线程里面执行的。有时还会说它又是阻塞的,实际上是指阻塞在select上面,必须等到读就绪、写就绪等网络事件。有时我们又说I/O复用是多路复用,这里的多路是指N个连接,每一个连接对应一个channel,或者说多路就是多个channel。复用,是指多个连接复用了一个线程或者少量线程(在Tomcat中是Math.min(2,Runtime.getRuntime().availableProcessors()))。

 

上面提到的网络事件有连接就绪、接收就绪、读就绪、写就绪四个网络事件。I/O复用主要是通过Selector复用器来实现的,可以结合下面这个图理解上面的叙述。

 

 

 

二、Tomcat对IO模型的支持
 

 

 

Tomcat从6以后开始支持NIO模型,实现是基于JDK的java.nio包。这里可以看到对read body 和response body是Blocking的。关于这点在下文第6.3节源代码阅读重点介绍。

 

 

三、Tomcat中NIO的配置与使用
 

 

 

在Connector节点配置protocol="org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol",Http11NioProtocol协议下默认最大连接数是10000,也可以重新修改maxConnections的值,同时我们可以设置最大线程数maxThreads,这里设置的最大线程数就是Excutor的线程池的大小。

 

在BIO模式下实际上是没有maxConnections,即使配置也不会生效,BIO模式下的maxConnections是保持跟maxThreads大小一致,因为它是一请求一线程模式。

 

四、NioEndpoint组件关系图解读
 

 

 

我们要理解Tomcat的NIO最主要就是对NioEndpoint的理解。它一共包含LimitLatch、Acceptor、Poller、SocketProcessor、Excutor5个部分。LimitLatch是连接控制器,它负责维护连接数的计算,nio模式下默认是10000,达到这个阈值后,就会拒绝连接请求。Acceptor负责接收连接,默认是1个线程来执行,将请求的事件注册到事件列表。有Poller来负责轮询,Poller线程数量是cpu的核数Math.min(2,Runtime.getRuntime().availableProcessors())。由Poller将就绪的事件生成SocketProcessor同时交给Excutor去执行。Excutor线程池的大小就是我们在Connector节点配置的maxThreads的值。在Excutor的线程中,会完成从socket中读取http request,解析成HttpServletRequest对象,分派到相应的servlet并完成逻辑,然后将response通过socket发回client。

 

在从socket中读数据和往socket中写数据的过程,并没有像典型的非阻塞的NIO的那样,注册OP_READ或OP_WRITE事件到主Selector,而是直接通过socket完成读写,这时是阻塞完成的,但在timeout控制上使用了NIO的Selector机制,但这个Selector并不是Poller线程维护的主Selector,而是BlockPoller线程中维护的Selector,称之为辅Selector。详细源代码可以参照下面第6.3节。

 

五、NioEndpoint执行序列图
 

 

 

在下一小节NioEndpoint源码解读中我们将对步骤1-步骤11依次找到对应的代码来说明。

 

六、NioEndpoint源码解读
 

 

 

1、初始化

 

无论是BIO还是NIO,开始都会初始化连接限制,不可能无限增大,NIO模式下默认是10000。

 

 

2、步骤解读

 

下面我们着重叙述跟NIO相关的流程,共分为11个步骤,分别对应上面序列图中的步骤。


步骤1:绑定IP地址及端口,将ServerSocketChannel设置为阻塞。


这里为什么要设置成阻塞呢,我们一直都在说非阻塞。Tomcat的设计初衷主要是为了操作方便。这样这里就跟BIO模式下一样了。只不过在BIO下这里返回的是Socket,NIO下这里返回的是SocketChannel。

 

 

步骤2:启动接收线程

 

 

步骤3:ServerSocketChannel.accept()接收新连接

 

 

步骤4:将接收到的链接通道设置为非阻塞

步骤5:构造NioChannel对象

步骤6:register注册到轮询线程

 

 

步骤7:构造PollerEvent,并添加到事件队列

 

 

步骤8:启动轮询线程

 

 

步骤9:取出队列中新增的PollerEvent并注册到Selector

 

 

步骤10:Selector.select()

 

 

步骤11:根据选择的SelectionKey构造SocketProcessor提交到请求处理线程

 

 

3、NioBlockingSelector和BlockPoller介绍

 

上面的序列图有个地方我没有描述,就是NioSelectorPool这个内部类,是因为在整体理解tomcat的NIO上面,在序列图里面不包括它会更好理解。

 

在有了上面的基础后,我们在来说下NioSelectorPool这个类,对更深层了解Tomcat的NIO一定要知道它的作用。

 

NioEndpoint对象中维护了一个NioSelecPool对象,这个NioSelectorPool中又维护了一个BlockPoller线程,这个线程就是基于辅Selector进行NIO的逻辑。以执行servlet后,得到response,往socket中写数据为例,最终写的过程调用NioBlockingSelector的write方法。代码如下:

 

 

也就是说当socket.write()返回0时,说明网络状态不稳定,这时将socket注册OP_WRITE事件到辅Selector,由BlockPoller线程不断轮询这个辅Selector,直到发现这个socket的写状态恢复了,通过那个倒数计数器,通知Worker线程继续写socket动作。看一下BlockSelector线程的代码逻辑:

 

 

使用这个辅Selector主要是减少线程间的切换,同时还可减轻主Selector的负担。

 

七、关于性能
 

 

 

 

这份报告是我们压测的一个结果,跟想象的是不是不太一样?几乎没有差别,实际上NIO优化的是I/O的读写,如果瓶颈不在这里的话,比如传输字节数很小的情况下,BIO和NIO实际上是没有差别的。NIO的优势更在于用少量的线程hold住大量的连接。

 

还有一点,我们在压测的过程中,遇到在NIO模式下刚开始的一小段时间内容,会有错误,这是因为一般的压测工具是基于一种长连接,也就是说比如模拟1000并发,那么同时建立1000个连接,下一时刻再发送请求就是基于先前的这1000个连接来发送,还有TOMCAT的NIO处理是有POLLER线程来接管的,它的线程数一般等于CPU的核数,如果一瞬间有大量并发过来,POLLER也会顿时处理不过来。

 

八、总结
 

 

 

NIO只是优化了网络IO的读写,如果系统的瓶颈不在这里,比如每次读取的字节说都是500b,那么BIO和NIO在性能上没有区别。NIO模式是最大化压榨CPU,把时间片都更好利用起来。对于操作系统来说,线程之间上下文切换的开销很大,而且每个线程都要占用系统的一些资源如内存,有关线程资源可参照这篇文章《一台Java服务器可以跑多少个线程》。

(http://www.jianshu.com/p/f1930596947d) 

 

因此,使用的线程越少越好。而I/O复用模型正是利用少量的线程来管理大量的连接。在对于维护大量长连接的应用里面更适合用基于I/O复用模型NIO,比如web qq这样的应用。所以我们要清楚系统的瓶颈是I/O还是CPU的计算。

 

参考资料

  • http://tomcat.apache.org/tomcat-7.0-doc/config/http.html

  • http://gearever.iteye.com/blog/1844203

  • 《Tomcat内核设计剖析》

  • 《深入理解计算机操作系统》

  • 《UNIX网络编程》卷1

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