Tomcat的Connector有三种运行模式bio、nio、apr,先了解一下这三种的区别。
- bio(blocking I/O),顾名思义,即阻塞式I/O操作,表示Tomcat使用的是传统的Java I/O操作(即java.io包及其子包)。Tomcat在默认情况下,就是以bio模式运行的。一般而言,bio模式是三种运行模式中性能最低的一种。
- 2.nio(new I/O),是Java SE 1.4及后续版本提供的一种新的I/O操作方式(即java.nio包及其子包)。Java nio是一个基于缓冲区、并能提供非阻塞I/O操作的Java API,因此nio也被看成是non-blocking I/O的缩写。它拥有比传统I/O操作(bio)更好的并发运行性能。要让Tomcat以nio模式来运行只需要在Tomcat安装目录/conf/server.xml文件中将Connector节点的protocol配置成org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol即可。
- apr(Apache Portable Runtime/Apache可移植运行时),是Apache HTTP服务器的支持库。可以简单地理解为Tomcat将以JNI的形式调用Apache HTTP服务器的核心动态链接库来处理文件读取或网络传输操作,从而大大地提高Tomcat对静态文件的处理性能。 Tomcat apr也是在Tomcat上运行高并发应用的首选模式。
写个BIO的Socket服务器还是比较容易的,无非是没accept一个socket之后就扔到一个线程中处理请求生成响应,这种方式可以改进的点就是增加线程池的支持。本文主要分析一下Tomcat中NIO处理方式的相关代码逻辑。
关键代码都是在org.apache.tomcat.util.net.NioEndpoint这个类里面,它是Http11NioProtocol中负责接收处理socket的主要组件,别看代码很长,仔细阅读会发现有很多共通的地方,如:
- 都会对JDK中原有的API做一下扩展或者包装,如ThreadPoolExecutor是对java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor的扩展,NioChannel是对ByteChannel的扩展,KeyAttachment则是对NioChannel的包装
- 很多类设计成非GC的,方便缓存和重复使用,实现方式都是通过ConcurrentLinkedQueue类构造一个队列。比如NioEndpoint类里面的ConcurrentLinkedQueue<SocketProcessor> processorCache、ConcurrentLinkedQueue<KeyAttachment> keyCache、ConcurrentLinkedQueue<PollerEvent> eventCache、ConcurrentLinkedQueue<NioChannel> nioChannels。Poller类里面的ConcurrentLinkedQueue<Runnable> events
先看下整个Connector组件结构图:
看过之前Tomcat启动文章的应该都知道,Connector的启动会调用Connector类的startInternal方法,里面调用了protocolHandler的start(),该方法中将调用抽象的endpoint的start()方法,这个方法会调用到具体Endpoint类的startInternal(),所以代码分析先从NioEndpoint类的startInternal看起。
- 1.NioEndpoint类核心组件的初始化
/** * Start the NIO endpoint, creating acceptor, poller threads. */ @Override public void startInternal() throws Exception { if (!running) { running = true; paused = false; // Create worker collection if ( getExecutor() == null ) { // 构造线程池,用于后续执行SocketProcessor线程,这就是上图中的Worker。 createExecutor(); } initializeConnectionLatch(); // Start poller threads // 根据处理器数量构造一定数目的轮询器,即上图中的Poller pollers = new Poller[getPollerThreadCount()]; for (int i=0; i<pollers.length; i++) { pollers[i] = new Poller(); Thread pollerThread = new Thread(pollers[i], getName() + "-ClientPoller-"+i); pollerThread.setPriority(threadPriority); pollerThread.setDaemon(true); pollerThread.start(); } // 创建接收者线程,即上图中的Acceptor startAcceptorThreads(); } }
startAcceptorThreads调用的是父类org.apache.tomcat.util.net.AbstractEndpoint中的实现:
protected final void startAcceptorThreads() { int count = getAcceptorThreadCount(); acceptors = new Acceptor[count]; for (int i = 0; i < count; i++) { // 调用子类的createAcceptor方法,本例中即NioEndpoint类的createAcceptor方法 acceptors[i] = createAcceptor(); String threadName = getName() + "-Acceptor-" + i; acceptors[i].setThreadName(threadName); Thread t = new Thread(acceptors[i], threadName); t.setPriority(getAcceptorThreadPriority()); t.setDaemon(getDaemon()); t.start(); } }
以上就是Acceptor、Poller、Worker等核心组件的初始化过程。
- 2.请求接收
核心组件初始化之后接着就是Acceptor线程接收socket连接,看下Acceptor的源码:
// --------------------------------------------------- Acceptor Inner Class /** * 后台线程,用于监听TCP/IP连接以及将它们分发给相应的调度器处理。 * The background thread that listens for incoming TCP/IP connections and * hands them off to an appropriate processor. */ protected class Acceptor extends AbstractEndpoint.Acceptor { @Override public void run() { int errorDelay = 0; // 循环遍历直到接收到关闭命令 // Loop until we receive a shutdown command while (running) { // Loop if endpoint is paused while (paused && running) { state = AcceptorState.PAUSED; try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) { // Ignore } } if (!running) { break; } state = AcceptorState.RUNNING; try { // 如果已经达到最大连接数则让线程等待 //if we have reached max connections, wait countUpOrAwaitConnection(); SocketChannel socket = null; try { // 接收连接,这里用的阻塞模式。 // Accept the next incoming connection from the server // socket socket = serverSock.accept(); } catch (IOException ioe) { //we didn't get a socket countDownConnection(); // Introduce delay if necessary errorDelay = handleExceptionWithDelay(errorDelay); // re-throw throw ioe; } // Successful accept, reset the error delay errorDelay = 0; // 注意这个setSocketOptions方法 // 它将把上面接收到的socket添加到轮询器Poller中 // setSocketOptions() will add channel to the poller // if successful if (running && !paused) { if (!setSocketOptions(socket)) { countDownConnection(); closeSocket(socket); } } else { countDownConnection(); closeSocket(socket); } } catch (SocketTimeoutException sx) { // Ignore: Normal condition } catch (IOException x) { if (running) { log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), x); } } catch (OutOfMemoryError oom) { try { oomParachuteData = null; releaseCaches(); log.error("", oom); }catch ( Throwable oomt ) { try { try { System.err.println(oomParachuteMsg); oomt.printStackTrace(); }catch (Throwable letsHopeWeDontGetHere){ ExceptionUtils.handleThrowable(letsHopeWeDontGetHere); } }catch (Throwable letsHopeWeDontGetHere){ ExceptionUtils.handleThrowable(letsHopeWeDontGetHere); } } } catch (Throwable t) { ExceptionUtils.handleThrowable(t); log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), t); } } state = AcceptorState.ENDED; } }
- 3.Socket参数设置
在Acceptor里接收到一个连接之后调用setSocketOptions方法设置SocketChannel的一些参数,然后将SocketChannel注册到Poller中。看下setSocketOptions的实现:
/** * Process the specified connection. */ protected boolean setSocketOptions(SocketChannel socket) { // Process the connection try { // 将SocketChannel配置为非阻塞模式 //disable blocking, APR style, we are gonna be polling it socket.configureBlocking(false); Socket sock = socket.socket(); // 设置Socket参数值(从server.xml的Connector节点上获取参数值) // 比如Socket发送、接收的缓存大小、心跳检测等 socketProperties.setProperties(sock); // 从NioChannel的缓存队列中取出一个NioChannel // NioChannel是SocketChannel的一个的包装类 // 这里对上层屏蔽SSL和一般TCP连接的差异 NioChannel channel = nioChannels.poll(); // 缓存队列中没有则新建一个NioChannel if ( channel == null ) { // SSL setup if (sslContext != null) { SSLEngine engine = createSSLEngine(); int appbufsize = engine.getSession().getApplicationBufferSize(); NioBufferHandler bufhandler = new NioBufferHandler(Math.max(appbufsize,socketProperties.getAppReadBufSize()), Math.max(appbufsize,socketProperties.getAppWriteBufSize()), socketProperties.getDirectBuffer()); channel = new SecureNioChannel(socket, engine, bufhandler, selectorPool); } else { // normal tcp setup NioBufferHandler bufhandler = new NioBufferHandler(socketProperties.getAppReadBufSize(), socketProperties.getAppWriteBufSize(), socketProperties.getDirectBuffer()); channel = new NioChannel(socket, bufhandler); } } else { // 将SocketChannel关联到从缓存队列中获取的NioChannel上来 channel.setIOChannel(socket); if ( channel instanceof SecureNioChannel ) { SSLEngine engine = createSSLEngine(); ((SecureNioChannel)channel).reset(engine); } else { channel.reset(); } } // 将新接收到的SocketChannel注册到Poller中 getPoller0().register(channel); } catch (Throwable t) { ExceptionUtils.handleThrowable(t); try { log.error("",t); } catch (Throwable tt) { ExceptionUtils.handleThrowable(t); } // Tell to close the socket return false; } return true; }
核心调用是最后的getPoller0().register(channel);它将配置好的SocketChannel包装成一个PollerEvent,然后加入到Poller的events缓存队列中。
- 4.读取事件注册
getPoller0方法将轮询当前的Poller数组,从中取出一个Poller返回。(Poller的初始化参见上述第1步:NioEndpoint类核心组件的初始化)
/** * Return an available poller in true round robin fashion */ public Poller getPoller0() { // 最简单的轮询调度算法,poller的计数器不断加1再对poller数组取余数 int idx = Math.abs(pollerRotater.incrementAndGet()) % pollers.length; return pollers[idx]; }
之后调用Poller对象的register方法:
public void register(final NioChannel socket) { // 设置socket的Poller引用,便于后续处理 socket.setPoller(this); // 从NioEndpoint的keyCache缓存队列中取出一个KeyAttachment KeyAttachment key = keyCache.poll(); // KeyAttachment实际是NioChannel的包装类 final KeyAttachment ka = key!=null?key:new KeyAttachment(socket); // 重置KeyAttachment对象中Poller、NioChannel等成员变量的引用 ka.reset(this,socket,getSocketProperties().getSoTimeout()); ka.setKeepAliveLeft(NioEndpoint.this.getMaxKeepAliveRequests()); ka.setSecure(isSSLEnabled()); // 从Poller的事件对象缓存中取出一个PollerEvent,并用socket初始化事件对象 PollerEvent r = eventCache.poll(); // 设置读操作为感兴趣的操作 ka.interestOps(SelectionKey.OP_READ);//this is what OP_REGISTER turns into. if ( r==null) r = new PollerEvent(socket,ka,OP_REGISTER); else r.reset(socket,ka,OP_REGISTER); // 加入到Poller对象里的事件队列 addEvent(r); }
看下Poller类里addEvent的代码:
/** * Only used in this class. Will be made private in Tomcat 8.0.x * @deprecated */ @Deprecated public void addEvent(Runnable event) { events.offer(event); if ( wakeupCounter.incrementAndGet() == 0 ) selector.wakeup(); }
就两行,第一行从event对象添加到缓存队列中,第二行如果当前事件队列中没有事件,则唤醒处于阻塞状态的selector 。
- 5.Poller处理流程
上面讲的是从Acceptor中接收到的Socket以PollerEvent的形式包装并添加到Poller的事件缓存队列中,接下来看看另外一个核心组件Poller的处理过程:
/** * Poller class. */ public class Poller implements Runnable { // 这就是NIO中用到的选择器,可以看出每一个Poller都会关联一个Selector protected Selector selector; // 待处理的事件队列 protected ConcurrentLinkedQueue<Runnable> events = new ConcurrentLinkedQueue<Runnable>(); // 唤醒多路复用器的条件阈值 protected AtomicLong wakeupCounter = new AtomicLong(0l); public Poller() throws IOException { // 对Selector的同步访问,通过调用Selector.open()方法创建一个Selector synchronized (Selector.class) { // Selector.open() isn't thread safe // http://bugs.sun.com/view_bug.do?bug_id=6427854 // Affects 1.6.0_29, fixed in 1.7.0_01 this.selector = Selector.open(); } } // 通过addEvent方法将事件添加到Poller的事件队列中 /** * Only used in this class. Will be made private in Tomcat 8.0.x * @deprecated */ @Deprecated public void addEvent(Runnable event) { events.offer(event); // 如果队列中没有待处理的事件则唤醒处于阻塞状态的selector if ( wakeupCounter.incrementAndGet() == 0 ) selector.wakeup(); } // 处理事件队列中的所有事件,如果事件队列是空的则返回false /** * Processes events in the event queue of the Poller. * * @return <code>true</code> if some events were processed, * <code>false</code> if queue was empty */ public boolean events() { boolean result = false; Runnable r = null; // 将Poller的事件队列中的事件逐个取出并执行相应的事件线程 while ( (r = events.poll()) != null ) { result = true; try { // 执行事件处理逻辑 // 这里将事件设计成线程是将具体的事件处理逻辑和事件框架分开 r.run(); if ( r instanceof PollerEvent ) { ((PollerEvent)r).reset(); // 事件处理完之后,将事件对象返回NIOEndpoint的事件对象缓存中 eventCache.offer((PollerEvent)r); } } catch ( Throwable x ) { log.error("",x); } } return result; } // 将socket包装成统一的事件对象PollerEvent,加入到待处理事件队列中 public void register(final NioChannel socket) { socket.setPoller(this); KeyAttachment key = keyCache.poll(); final KeyAttachment ka = key!=null?key:new KeyAttachment(socket); ka.reset(this,socket,getSocketProperties().getSoTimeout()); ka.setKeepAliveLeft(NioEndpoint.this.getMaxKeepAliveRequests()); ka.setSecure(isSSLEnabled()); // 从NIOEndpoint的事件对象缓存中取出一个事件对象 PollerEvent r = eventCache.poll(); ka.interestOps(SelectionKey.OP_READ);//this is what OP_REGISTER turns into. if ( r==null) r = new PollerEvent(socket,ka,OP_REGISTER); else r.reset(socket,ka,OP_REGISTER); // 将事件添加打Poller的事件队列中 addEvent(r); } // Poller是一个线程,该线程同Acceptor一样会监听TCP/IP连接并将它们交给合适的处理器处理 /** * The background thread that listens for incoming TCP/IP connections and * hands them off to an appropriate processor. */ @Override public void run() { // Loop until destroy() is called while (true) { try { // Loop if endpoint is paused while (paused && (!close) ) { try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { // Ignore } } boolean hasEvents = false; // Time to terminate? if (close) { events(); timeout(0, false); try { selector.close(); } catch (IOException ioe) { log.error(sm.getString( "endpoint.nio.selectorCloseFail"), ioe); } break; } else { // 执行事件队列中的事件线程 hasEvents = events(); } try { if ( !close ) { if (wakeupCounter.getAndSet(-1) > 0) { // 把wakeupCounter设成-1,这是与addEvent里的代码呼应,这样会唤醒selector //if we are here, means we have other stuff to do //do a non blocking select // 以非阻塞方式查看selector是否有事件发生 keyCount = selector.selectNow(); } else { // 查看selector是否有事件发生,超过指定时间则立即返回 keyCount = selector.select(selectorTimeout); } wakeupCounter.set(0); } if (close) { // 执行事件队列中的事件线程 events(); timeout(0, false); try { selector.close(); } catch (IOException ioe) { log.error(sm.getString( "endpoint.nio.selectorCloseFail"), ioe); } break; } } catch ( NullPointerException x ) { //sun bug 5076772 on windows JDK 1.5 if ( log.isDebugEnabled() ) log.debug("Possibly encountered sun bug 5076772 on windows JDK 1.5",x); if ( wakeupCounter == null || selector == null ) throw x; continue; } catch ( CancelledKeyException x ) { //sun bug 5076772 on windows JDK 1.5 if ( log.isDebugEnabled() ) log.debug("Possibly encountered sun bug 5076772 on windows JDK 1.5",x); if ( wakeupCounter == null || selector == null ) throw x; continue; } catch (Throwable x) { ExceptionUtils.handleThrowable(x); log.error("",x); continue; } //either we timed out or we woke up, process events first if ( keyCount == 0 ) hasEvents = (hasEvents | events()); Iterator<SelectionKey> iterator = keyCount > 0 ? selector.selectedKeys().iterator() : null; // 根据向selector中注册的key遍历channel中已经就绪的keys,并处理这些key // Walk through the collection of ready keys and dispatch // any active event. while (iterator != null && iterator.hasNext()) { SelectionKey sk = iterator.next(); // 这里的attachment方法返回的就是在register()方法中注册的 // 而KeyAttachment对象是对socket的包装 KeyAttachment attachment = (KeyAttachment)sk.attachment(); // Attachment may be null if another thread has called // cancelledKey() if (attachment == null) { iterator.remove(); } else { // 更新通道最近一次发生事件的时间 // 防止因超时没有事件发生而被剔除出selector attachment.access(); iterator.remove(); // 具体处理通道的逻辑 processKey(sk, attachment); } }//while //process timeouts // 多路复用器每执行一遍完整的轮询便查看所有通道是否超时 // 对超时的通道将会被剔除出多路复用器 timeout(keyCount,hasEvents); if ( oomParachute > 0 && oomParachuteData == null ) checkParachute(); } catch (OutOfMemoryError oom) { try { oomParachuteData = null; releaseCaches(); log.error("", oom); }catch ( Throwable oomt ) { try { System.err.println(oomParachuteMsg); oomt.printStackTrace(); }catch (Throwable letsHopeWeDontGetHere){ ExceptionUtils.handleThrowable(letsHopeWeDontGetHere); } } } }//while synchronized (this) { this.notifyAll(); } stopLatch.countDown(); } // 处理selector检测到的通道事件 protected boolean processKey(SelectionKey sk, KeyAttachment attachment) { boolean result = true; try { if ( close ) { cancelledKey(sk, SocketStatus.STOP, attachment.comet); } else if ( sk.isValid() && attachment != null ) { // 确保通道不会因超时而被剔除 attachment.access();//make sure we don't time out valid sockets sk.attach(attachment);//cant remember why this is here NioChannel channel = attachment.getChannel(); // 处理通道发生的读写事件 if (sk.isReadable() || sk.isWritable() ) { if ( attachment.getSendfileData() != null ) { processSendfile(sk,attachment, false); } else { if ( isWorkerAvailable() ) { // 在通道上注销对已经发生事件的关注 unreg(sk, attachment, sk.readyOps()); boolean closeSocket = false; // Read goes before write if (sk.isReadable()) { // 具体的通道处理逻辑 if (!processSocket(channel, SocketStatus.OPEN_READ, true)) { closeSocket = true; } } if (!closeSocket && sk.isWritable()) { if (!processSocket(channel, SocketStatus.OPEN_WRITE, true)) { closeSocket = true; } } if (closeSocket) { // 解除无效通道 cancelledKey(sk,SocketStatus.DISCONNECT,false); } } else { result = false; } } } } else { //invalid key cancelledKey(sk, SocketStatus.ERROR,false); } } catch ( CancelledKeyException ckx ) { cancelledKey(sk, SocketStatus.ERROR,false); } catch (Throwable t) { ExceptionUtils.handleThrowable(t); log.error("",t); } return result; } // 这个unreg()很巧妙,防止了通道对同一个事件不断select的问题 protected void unreg(SelectionKey sk, KeyAttachment attachment, int readyOps) { //this is a must, so that we don't have multiple threads messing with the socket reg(sk,attachment,sk.interestOps()& (~readyOps)); } // 向NioChannel注册感兴趣的事件,具体代码看下面的PollerEvent类的说明 protected void reg(SelectionKey sk, KeyAttachment attachment, int intops) { sk.interestOps(intops); attachment.interestOps(intops); attachment.setCometOps(intops); } }
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