Tomcat I/O模型详解

Linux I/O模型详解

I/O要解决什么问题

  I/O：在计算机内存与外部设备之间拷贝数据的过程。
  程序通过CPU向外部设备发出读指令，数据从外部设备拷贝至内存需要一段时间，这段时间CPU就没事情做了，程序就会两种选择：

1. 让出CPU资源，让其干其他事情
2. 继续让CPU不停地查询数据是否拷贝完成

到底采取何种选择就是I/O模型需要解决的事情了。

  以网络数据读取为例来分析，会涉及两个对象，一个是调用这个I/O操作的用户线程，另一个是操作系统内核。一个进程的地址空间分为用户空间和内核空间，基于安全上的考虑，用户程序只能访问用户空间，内核程序可以访问整个进程空间，只有内核可以直接访问各种硬件资源，比如磁盘和网卡。

当用户线程发起 I/O 调用后，网络数据读取操作会经历两个步骤：

• 数据准备阶段： 用户线程等待内核将数据从网卡拷贝到内核空间。
• 数据拷贝阶段： 内核将数据从内核空间拷贝到用户空间（应用进程的缓冲区）。
  
  不同的I/O模型对于这2个步骤有着不同的实现步骤。

Linux的I/O模型分类

Linux 系统下的 I/O 模型有 5 种：

• 同步阻塞I/O（bloking I/O）
• 同步非阻塞I/O（non-blocking I/O）
• I/O多路复用（multiplexing I/O）
• 信号驱动式I/O（signal-driven I/O）
• 异步I/O（asynchronous I/O）

其中信号驱动式IO在实际中并不常用

• 阻塞或非阻塞是指应用程序在发起 I/O 操作时，是立即返回还是等待。
• 同步或异步是指应用程序在与内核通信时，数据从内核空间到应用空间的拷贝，是由内核主动发起还是由应用程序来触发。

Tomcat支持的 I/O 模型

Tomcat 支持的 I/O 模型有：

IO模型	描述
BIO （JIoEndpoint）	同步阻塞式IO，即Tomcat使用传统的java.io进行操作。该模式下每个请求都会创建一个线程，对性能开销大，不适合高并发场景。优点是稳定，适合连接数目小且固定架构。 Tomcat8.5.x开始移除BIO。
NIO（NioEndpoint）	同步非阻塞式IO，jdk1.4 之后实现的新IO。该模式基于多路复用选择器监测连接状态再同步通知线程处理，从而达到非阻塞的目的。比传统BIO能更好的支持并发性能。Tomcat 8.0之后默认采用该模式。NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作） 的架构， 比如聊天服务器， 弹幕系统， 服务器间通讯，编程比较复杂
AIO (Nio2Endpoint)	异步非阻塞式IO，jdk1.7后之支持 。与nio不同在于不需要多路复用选择器，而是请求处理线程执行完成进行回调通知，继续执行后续操作。Tomcat 8之后支持。一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用
APR（AprEndpoint）	全称是 Apache Portable Runtime/Apache可移植运行库)，是Apache HTTP服务器的支持库。AprEndpoint 是通过 JNI 调用 APR 本地库而实现非阻塞 I/O 的。使用需要编译安装APR 库

  注意： Linux 内核没有很完善地支持异步 I/O 模型，因此 JVM 并没有采用原生的 Linux 异步 I/O，而是在应用层面通过 epoll 模拟了异步 I/O 模型。因此在 Linux 平台上，Java NIO 和 Java NIO2 底层都是通过 epoll 来实现的，但是 Java NIO 更加简单高效。

Tomcat I/O 模型如何选型

  I/O 调优实际上是连接器类型的选择，一般情况下默认都是 NIO，在绝大多数情况下都是够用的，除非你的 Web 应用用到了 TLS 加密传输，而且对性能要求极高，这个时候可以考虑 APR，因为 APR 通过 OpenSSL 来处理 TLS 握手和加密 / 解密。OpenSSL 本身用 C 语言实现，它还对 TLS 通信做了优化，所以性能比 Java 要高。如果你的 Tomcat 跑在 Windows 平台上，并且 HTTP 请求的数据量比较大，可以考虑 NIO2，这是因为 Windows 从操作系统层面实现了真正意义上的异步 I/O，如果传输的数据量比较大，异步 I/O 的效果就能显现出来。如果你的 Tomcat 跑在 Linux 平台上，建议使用 NIO。因为在 Linux 平台上，Java NIO 和 Java NIO2 底层都是通过 epoll 来实现的，但是 Java NIO 更加简单高效。
  指定IO模型只需修改protocol配置

<!-- 修改protocol属性, 使用NIO2 -->
<Connector port="8080" protocol="org.apache.coyote.http11.Http11Nio2Protocol"connectionTimeout="20000"redirectPort="8443" />

网络编程模型Reactor线程模型

  Reactor 模型是网络服务器端用来处理高并发网络 IO 请求的一种编程模型。
  该模型主要有三类处理事件：即连接事件、写事件、读事件；三个关键角色：即 reactor、acceptor、handler。acceptor负责连接事件，handler负责读写事件，reactor负责事件监听和事件分发。

单 Reactor 单线程

  由上图可以看出，单Reactor单线程模型中的 reactor、acceptor 和 handler以及后续业务处理逻辑的功能都是由一个线程来执行的。reactor 负责监听客户端事件和事件分发，一旦有连接事件发生，它会分发给 acceptor，由 acceptor 负责建立连接，然后创建一个 handler。如果是读写事件，reactor 将事件分发给 handler 进行处理。handler 负责读取客户端请求，进行业务处理，并最终给客户端返回结果。

单 Reactor 多线程

  该模型中，reactor、acceptor 和 handler 的功能由一个线程来执行，与此同时，会有一个线程池，由若干 worker 线程组成。在监听客户端事件、连接事件处理方面，这个类型和单 rector 单线程是相同的，但是不同之处在于，在单 reactor 多线程类型中，handler 只负责读取请求和写回结果，而具体的业务处理由 worker 线程来完成。

主从 Reactor 多线程

  在这个类型中，会有一个主 reactor 线程、多个子 reactor 线程和多个 worker 线程组成的一个线程池。其中，主 reactor 负责监听客户端事件，并在同一个线程中让 acceptor 处理连接事件。一旦连接建立后，主 reactor 会把连接分发给子 reactor 线程，由子 reactor 负责这个连接上的后续事件处理。那么，子 reactor 会监听客户端连接上的后续事件，有读写事件发生时，它会让在同一个线程中的 handler 读取请求和返回结果，而和单 reactor 多线程类似，具体业务处理，它还是会让线程池中的 worker 线程处理。

Tomcat NIO实现

  在 Tomcat 中，EndPoint 组件的主要工作就是处理 I/O，而 NioEndpoint 利用 Java NIO API 实现了多路复用 I/O 模型。Tomcat的NioEndpoint 是基于主从Reactor多线程模型设计的

• LimitLatch 是连接控制器，它负责控制最大连接数，NIO 模式下默认是 10000(tomcat9中8192)，当连接数到达最大时阻塞线程，直到后续组件处理完一个连接后将连接数减 1。注意到达最大连接数后操作系统底层还是会接收客户端连接，但用户层已经不再接收。
• Acceptor 跑在一个单独的线程里，它在一个死循环里调用 accept 方法来接收新连接，一旦有新的连接请求到来，accept 方法返回一个 Channel 对象，接着把 Channel 对象交给 Poller 去处理。

#NioEndpoint#initServerSocketserverSock = ServerSocketChannel.open();
//第2个参数表示操作系统的等待队列长度，默认100
//当应用层面的连接数到达最大值时，操作系统可以继续接收的最大连接数
serverSock.bind(addr, getAcceptCount());
//ServerSocketChannel 被设置成阻塞模式
serverSock.configureBlocking(true);

  ServerSocketChannel 通过 accept() 接受新的连接，accept() 方法返回获得 SocketChannel 对象，然后将 SocketChannel 对象封装在一个 PollerEvent 对象中，并将 PollerEvent 对象压入 Poller 的 SynchronizedQueue 里，这是个典型的生产者 - 消费者模式，Acceptor 与 Poller 线程之间通过 SynchronizedQueue 通信。

• Poller 的本质是一个 Selector，也跑在单独线程里。Poller 在内部维护一个 Channel 数组，它在一个死循环里不断检测 Channel 的数据就绪状态，一旦有 Channel 可读，就生成一个 SocketProcessor 任务对象扔给 Executor 去处理。
  
• Executor 就是线程池，负责运行 SocketProcessor 任务类，SocketProcessor 的 run 方法会调用 Http11Processor 来读取和解析请求数据。Http11Processor 是应用层协议的封装，它会调用容器获得响应，再把响应通过 Channel 写出。

Tomcat 异步IO实现

  NIO 和 NIO2 最大的区别是，一个是同步一个是异步。异步最大的特点是，应用程序不需要自己去触发数据从内核空间到用户空间的拷贝。

  Nio2Endpoint 中没有 Poller 组件，也就是没有 Selector。在异步 I/O 模式下，Selector 的工作交给内核来做了。

Tomcat性能调优

  Tomcat9参数配置

如何监控Tomcat的性能

Tomcat 的关键指标

  Tomcat 的关键指标有吞吐量、响应时间、错误数、线程池、CPU 以及 JVM 内存。前三个指标是我们最关心的业务指标，Tomcat 作为服务器，就是要能够又快有好地处理请求，因此吞吐量要大、响应时间要短，并且错误数要少。后面三个指标是跟系统资源有关的，当某个资源出现瓶颈就会影响前面的业务指标，比如线程池中的线程数量不足会影响吞吐量和响应时间；但是线程数太多会耗费大量 CPU，也会影响吞吐量；当内存不足时会触发频繁地 GC，耗费 CPU，最后也会反映到业务指标上来。

通过 JConsole 监控 Tomcat

JConsole是一款基于JMX的可视化监控和管理工具

1. 开启 JMX 的远程监听端口
   我们可以在 Tomcat 的 bin 目录下新建一个名为setenv.sh的文件（或者setenv.bat，根据你的操作系统类型），然后输入下面的内容：

export JAVA_OPTS="${JAVA_OPTS} -Dcom.sun.management.jmxremote"
export JAVA_OPTS="${JAVA_OPTS} -Dcom.sun.management.jmxremote.port=8011"
export JAVA_OPTS="${JAVA_OPTS} -Djava.rmi.server.hostname=x.x.x.x"
export JAVA_OPTS="${JAVA_OPTS} -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false"
export JAVA_OPTS="${JAVA_OPTS} -Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false"

2. 重启 Tomcat，这样 JMX 的监听端口 8011 就开启了，接下来通过 JConsole 来连接这个端口。

jconsole x.x.x.x:8011

我们可以看到 JConsole 的主界面：

吞吐量、响应时间、错误数

  在 MBeans 标签页下选择 GlobalRequestProcessor，这里有 Tomcat 请求处理的统计信息。你会看到 Tomcat 中的各种连接器，展开“http-nio-8080”，你会看到这个连接器上的统计信息，其中 maxTime 表示最长的响应时间，processingTime 表示平均响应时间，requestCount 表示吞吐量，errorCount 就是错误数。

线程池

选择“线程”标签页，可以看到当前 Tomcat 进程中有多少线程，如下图所示：

图的左下方是线程列表，右边是线程的运行栈，这些都是非常有用的信息。如果大量线程阻塞，通过观察线程栈，能看到线程阻塞在哪个函数，有可能是 I/O 等待，或者是死锁。

CPU

在主界面可以找到 CPU 使用率指标，请注意这里的 CPU 使用率指的是 Tomcat 进程占用的 CPU，不是主机总的 CPU 使用率。

JVM 内存

选择“内存”标签页，你能看到 Tomcat 进程的 JVM 内存使用情况。

命令行查看 Tomcat 指标

  极端情况下如果 Web 应用占用过多 CPU 或者内存，又或者程序中发生了死锁，导致 Web 应用对外没有响应，监控系统上看不到数据，这个时候需要我们登陆到目标机器，通过命令行来查看各种指标。

1. 首先我们通过 ps 命令找到 Tomcat 进程，拿到进程 ID。

ps -ef|grep tomcat

2. 接着查看进程状态的大致信息，通过cat /proc//status命令：
   

3. 监控进程的 CPU 和内存资源使用情况：
   

4. 查看 Tomcat 的网络连接，比如 Tomcat 在 8080 端口上监听连接请求，通过下面的命令查看连接列表：
   

5. 还可以分别统计处在“已连接”状态和“TIME_WAIT”状态的连接数：
   

6. 通过 ifstat 来查看网络流量，大致可以看出 Tomcat 当前的请求数和负载状况。
   

线程池的并发调优

线程池调优指的是给 Tomcat 的线程池设置合适的参数，使得 Tomcat 能够又快又好地处理请求。

sever.xml中配置线程池

<!--
namePrefix: 线程前缀
maxThreads: 最大线程数，默认设置 200，一般建议在 500 ~ 1000，根据硬件设施和业务来判断
minSpareThreads: 核心线程数，默认设置 25
prestartminSpareThreads: 在 Tomcat 初始化的时候就初始化核心线程
maxQueueSize: 最大的等待队列数，超过则拒绝请求 ，默认 Integer.MAX_VALUE
maxIdleTime: 线程空闲时间，超过该时间，线程会被销毁，单位毫秒
className: 线程实现类,默认org.apache.catalina.core.StandardThreadExecutor
-->
<Executor name="tomcatThreadPool" namePrefix="catalina-exec-Fox"prestartminSpareThreads="true"maxThreads="500" minSpareThreads="10"  maxIdleTime="10000"/><Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"  executor="tomcatThreadPool"connectionTimeout="20000"redirectPort="8443" URIEncoding="UTF-8"/>

  这里面最核心的就是如何确定 maxThreads 的值，如果这个参数设置小了，Tomcat 会发生线程饥饿，并且请求的处理会在队列中排队等待，导致响应时间变长；如果 maxThreads 参数值过大，同样也会有问题，因为服务器的 CPU 的核数有限，线程数太多会导致线程在 CPU 上来回切换，耗费大量的切换开销。
  理论上我们可以通过公式 线程数 = CPU 核心数 *（1+平均等待时间/平均工作时间），计算出一个理想值，这个值只具有指导意义，因为它受到各种资源的限制，实际场景中，我们需要在理想值的基础上进行压测，来获得最佳线程数。

SpringBoot中调整Tomcat参数

方式1： yml中配置 （属性配置类：ServerProperties）

server:tomcat:threads:min-spare: 20max: 500connection-timeout: 5000ms

SpringBoot中的TomcatConnectorCustomizer类可用于对Connector进行定制化修改。

@Configuration
public class MyTomcatCustomizer implementsWebServerFactoryCustomizer<TomcatServletWebServerFactory> {@Overridepublic void customize(TomcatServletWebServerFactory factory) {factory.setPort(8090);factory.setProtocol("org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol");factory.addConnectorCustomizers(connectorCustomizer());}@Beanpublic TomcatConnectorCustomizer connectorCustomizer(){return new TomcatConnectorCustomizer() {@Overridepublic void customize(Connector connector) {Http11NioProtocol protocol = (Http11NioProtocol) connector.getProtocolHandler();protocol.setMaxThreads(500);protocol.setMinSpareThreads(20);protocol.setConnectionTimeout(5000);}};}}