详解 Tomcat 的连接数与线程池

前言

在使用tomcat时,经常会遇到连接数、线程数之类的配置问题,要真正理解这些概念,必须先了解Tomcat的连接器(Connector)。

在前面的文章 详解Tomcat配置文件server.xml 中写到过:Connector的主要功能,是接收连接请求,创建Request和Response对象用于和请求端交换数据;然后分配线程让Engine(也就是Servlet容器)来处理这个请求,并把产生的Request和Response对象传给Engine。当Engine处理完请求后,也会通过Connector将响应返回给客户端。

可以说,Servlet容器处理请求,是需要Connector进行调度和控制的,Connector是Tomcat处理请求的主干,因此Connector的配置和使用对Tomcat的性能有着重要的影响。这篇文章将从Connector入手,讨论一些与Connector有关的重要问题,包括NIO/BIO模式、线程池、连接数等。

根据协议的不同,Connector可以分为HTTP Connector、AJP Connector等,本文只讨论HTTP Connector。

一、Nio、Bio、APR

1、Connector的protocol

Connector在处理HTTP请求时,会使用不同的protocol。不同的Tomcat版本支持的protocol不同,其中最典型的protocol包括BIO、NIO和APR(Tomcat7中支持这3种,Tomcat8增加了对NIO2的支持,而到了Tomcat8.5和Tomcat9.0,则去掉了对BIO的支持)。

BIO是Blocking IO,顾名思义是阻塞的IO;NIO是Non-blocking IO,则是非阻塞的IO。而APR是Apache Portable Runtime,是Apache可移植运行库,利用本地库可以实现高可扩展性、高性能;Apr是在Tomcat上运行高并发应用的首选模式,但是需要安装apr、apr-utils、tomcat-native等包。

2、如何指定protocol

Connector使用哪种protocol,可以通过<connector>元素中的protocol属性进行指定,也可以使用默认值。

指定的protocol取值及对应的协议如下:

  • HTTP/1.1:默认值,使用的协议与Tomcat版本有关
  • org.apache.coyote.http11.Http11Protocol:BIO
  • org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol:NIO
  • org.apache.coyote.http11.Http11Nio2Protocol:NIO2
  • org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol:APR

如果没有指定protocol,则使用默认值HTTP/1.1,其含义如下:在Tomcat7中,自动选取使用BIO或APR(如果找到APR需要的本地库,则使用APR,否则使用BIO);在Tomcat8中,自动选取使用NIO或APR(如果找到APR需要的本地库,则使用APR,否则使用NIO)。

3、BIO/NIO有何不同

无论是BIO,还是NIO,Connector处理请求的大致流程是一样的:

在accept队列中接收连接(当客户端向服务器发送请求时,如果客户端与OS完成三次握手建立了连接,则OS将该连接放入accept队列);在连接中获取请求的数据,生成request;调用servlet容器处理请求;返回response。为了便于后面的说明,首先明确一下连接与请求的关系:连接是TCP层面的(传输层),对应socket;请求是HTTP层面的(应用层),必须依赖于TCP的连接实现;一个TCP连接中可能传输多个HTTP请求。

在BIO实现的Connector中,处理请求的主要实体是JIoEndpoint对象。JIoEndpoint维护了Acceptor和Worker:Acceptor接收socket,然后从Worker线程池中找出空闲的线程处理socket,如果worker线程池没有空闲线程,则Acceptor将阻塞。其中Worker是Tomcat自带的线程池,如果通过<Executor>配置了其他线程池,原理与Worker类似。

在NIO实现的Connector中,处理请求的主要实体是NIoEndpoint对象。NIoEndpoint中除了包含Acceptor和Worker外,还是用了Poller,处理流程如下图所示(图片来源:http://gearever.iteye.com/blog/1844203)。

Acceptor接收socket后,不是直接使用Worker中的线程处理请求,而是先将请求发送给了Poller,而Poller是实现NIO的关键。Acceptor向Poller发送请求通过队列实现,使用了典型的生产者-消费者模式。在Poller中,维护了一个Selector对象;当Poller从队列中取出socket后,注册到该Selector中;然后通过遍历Selector,找出其中可读的socket,并使用Worker中的线程处理相应请求。与BIO类似,Worker也可以被自定义的线程池代替。

通过上述过程可以看出,在NIoEndpoint处理请求的过程中,无论是Acceptor接收socket,还是线程处理请求,使用的仍然是阻塞方式;但在“读取socket并交给Worker中的线程”的这个过程中,使用非阻塞的NIO实现,这是NIO模式与BIO模式的最主要区别(其他区别对性能影响较小,暂时略去不提)。而这个区别,在并发量较大的情形下可以带来Tomcat效率的显著提升:

目前大多数HTTP请求使用的是长连接(HTTP/1.1默认keep-alive为true),而长连接意味着,一个TCP的socket在当前请求结束后,如果没有新的请求到来,socket不会立马释放,而是等timeout后再释放。如果使用BIO,“读取socket并交给Worker中的线程”这个过程是阻塞的,也就意味着在socket等待下一个请求或等待释放的过程中,处理这个socket的工作线程会一直被占用,无法释放;因此Tomcat可以同时处理的socket数目不能超过最大线程数,性能受到了极大限制。而使用NIO,“读取socket并交给Worker中的线程”这个过程是非阻塞的,当socket在等待下一个请求或等待释放时,并不会占用工作线程,因此Tomcat可以同时处理的socket数目远大于最大线程数,并发性能大大提高。

二、3个参数:acceptCount、maxConnections、maxThreads

再回顾一下Tomcat处理请求的过程:在accept队列中接收连接(当客户端向服务器发送请求时,如果客户端与OS完成三次握手建立了连接,则OS将该连接放入accept队列);在连接中获取请求的数据,生成request;调用servlet容器处理请求;返回response。

相对应的,Connector中的几个参数功能如下:

1、acceptCount

accept队列的长度;当accept队列中连接的个数达到acceptCount时,队列满,进来的请求一律被拒绝。默认值是100。

2、maxConnections

Tomcat在任意时刻接收和处理的最大连接数。当Tomcat接收的连接数达到maxConnections时,Acceptor线程不会读取accept队列中的连接;这时accept队列中的线程会一直阻塞着,直到Tomcat接收的连接数小于maxConnections。如果设置为-1,则连接数不受限制。

默认值与连接器使用的协议有关:NIO的默认值是10000,APR/native的默认值是8192,而BIO的默认值为maxThreads(如果配置了Executor,则默认值是Executor的maxThreads)。

在windows下,APR/native的maxConnections值会自动调整为设置值以下最大的1024的整数倍;如设置为2000,则最大值实际是1024。

3、maxThreads

请求处理线程的最大数量。默认值是200(Tomcat7和8都是的)。如果该Connector绑定了Executor,这个值会被忽略,因为该Connector将使用绑定的Executor,而不是内置的线程池来执行任务。

maxThreads规定的是最大的线程数目,并不是实际running的CPU数量;实际上,maxThreads的大小比CPU核心数量要大得多。这是因为,处理请求的线程真正用于计算的时间可能很少,大多数时间可能在阻塞,如等待数据库返回数据、等待硬盘读写数据等。因此,在某一时刻,只有少数的线程真正的在使用物理CPU,大多数线程都在等待;因此线程数远大于物理核心数才是合理的。

换句话说,Tomcat通过使用比CPU核心数量多得多的线程数,可以使CPU忙碌起来,大大提高CPU的利用率。

4、参数设置

(1)maxThreads的设置既与应用的特点有关,也与服务器的CPU核心数量有关。通过前面介绍可以知道,maxThreads数量应该远大于CPU核心数量;而且CPU核心数越大,maxThreads应该越大;应用中CPU越不密集(IO越密集),maxThreads应该越大,以便能够充分利用CPU。当然,maxThreads的值并不是越大越好,如果maxThreads过大,那么CPU会花费大量的时间用于线程的切换,整体效率会降低。

(2)maxConnections的设置与Tomcat的运行模式有关。如果tomcat使用的是BIO,那么maxConnections的值应该与maxThreads一致;如果tomcat使用的是NIO,那么类似于Tomcat的默认值,maxConnections值应该远大于maxThreads。

(3)通过前面的介绍可以知道,虽然tomcat同时可以处理的连接数目是maxConnections,但服务器中可以同时接收的连接数为maxConnections+acceptCount 。acceptCount的设置,与应用在连接过高情况下希望做出什么反应有关系。如果设置过大,后面进入的请求等待时间会很长;如果设置过小,后面进入的请求立马返回connection refused。

三、线程池Executor

Executor元素代表Tomcat中的线程池,可以由其他组件共享使用;要使用该线程池,组件需要通过executor属性指定该线程池。

Executor是Service元素的内嵌元素。一般来说,使用线程池的是Connector组件;为了使Connector能使用线程池,Executor元素应该放在Connector前面。Executor与Connector的配置举例如下:

<Executor name="tomcatThreadPool" namePrefix ="catalina-exec-" maxThreads="150" minSpareThreads="4" />
<Connector executor="tomcatThreadPool" port="8080" protocol="HTTP/1.1" connectionTimeout="20000" redirectPort="8443" acceptCount="1000" />

Executor的主要属性包括:

  • name:该线程池的标记
  • maxThreads:线程池中最大活跃线程数,默认值200(Tomcat7和8都是)
  • minSpareThreads:线程池中保持的最小线程数,最小值是25
  • maxIdleTime:线程空闲的最大时间,当空闲超过该值时关闭线程(除非线程数小于minSpareThreads),单位是ms,默认值60000(1分钟)
  • daemon:是否后台线程,默认值true
  • threadPriority:线程优先级,默认值5
  • namePrefix:线程名字的前缀,线程池中线程名字为:namePrefix+线程编号

四、查看当前状态

上面介绍了Tomcat连接数、线程数的概念以及如何设置,下面说明如何查看服务器中的连接数和线程数。

查看服务器的状态,大致分为两种方案:(1)使用现成的工具,(2)直接使用Linux的命令查看。

现成的工具,如JDK自带的jconsole工具可以方便的查看线程信息(此外还可以查看CPU、内存、类、JVM基本信息等),Tomcat自带的manager,收费工具New Relic等。下图是jconsole查看线程信息的界面:

下面说一下如何通过Linux命令行,查看服务器中的连接数和线程数。

1、连接数

假设Tomcat接收http请求的端口是8083,则可以使用如下语句查看连接情况:

netstat –nat | grep 8083

结果如下所示:

可以看出,有一个连接处于listen状态,监听请求;除此之外,还有4个已经建立的连接(ESTABLISHED)和2个等待关闭的连接(CLOSE_WAIT)。

2、线程

ps命令可以查看进程状态,如执行如下命令:

ps –e | grep java

结果如下图:

可以看到,只打印了一个进程的信息;27989是线程id,java是指执行的java命令。这是因为启动一个tomcat,内部所有的工作都在这一个进程里完成,包括主线程、垃圾回收线程、Acceptor线程、请求处理线程等等。

通过如下命令,可以看到该进程内有多少个线程;其中,nlwp含义是number of light-weight process。

ps –o nlwp 27989

可以看到,该进程内部有73个线程;但是73并没有排除处于idle状态的线程。要想获得真正在running的线程数量,可以通过以下语句完成:

ps -eLo pid ,stat | grep 27989 | grep running | wc -l

其中ps -eLo pid ,stat可以找出所有线程,并打印其所在的进程号和线程当前的状态;两个grep命令分别筛选进程号和线程状态;wc统计个数。其中,ps -eLo pid ,stat | grep 27989输出的结果如下:

图中只截图了部分结果;Sl表示大多数线程都处于空闲状态。

参考文献



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