tomcat启动时非常慢，启动时 一直卡在Root WebApplicationContext: initialization completed

Posted 2020-10-30

每次重启自己的服务tomcat都需要卡住很长时间，每次都是日志停在
Root WebApplicationContext: initialization completed in 744 ms这个地方，然后也不知道发生了什么，在等待
什么，网上看到了一篇博文，mark下

问题现象

美女同事找我解决一个问题，说Tomcat启动很慢。开始我以为是程序写的问题，所以把webapps下所有程序都删除掉。（只保留Tomcat自带）灵异的事情发生了，Tomcat停止在——

 

我查看了一下进程，Tomcat所在的JVM进程已经被启动了所以可以排除是JVM退出引起的问题。那么问题真的就是JVM因为某种原因被阻塞了。
分析

 

问题比较棘手，我排除了CPU、内存不足引起的问题；排除了硬盘空间不足引起的问题；我甚至去观察了网络I/O、硬盘I/O情况，都非常正常。程序被阻塞一般来说一定是要等待某个资源，而现在的情况是所有资源都充足，所以我几乎想不到是什么问题引起的。我开始怀疑是KVM Hypervisor虚拟化的问题（用的是虚拟机）我改变了策略在VMWare开了两台虚拟机上直接下载Tomcat启动。其中一台很快启动，另一台居然也被阻塞，问题被重现了。眼看要在美女面前丢脸，我光辉伟岸的形象要荡然无存。这种情况下我不能去“撸”代码吧？况且Tomcat那么多人用，真有这么明显的Bug早就炸开锅了。（Tomcat还是很靠谱的不像xxxxStack那么狗屎）仔细想想我需要找到Tomcat停止在了哪里？代码里发生了什么事情，但是我又不可能去撸代码。无可奈何的情况下我决定试一下 strace，这是一个跟踪系统调用(System Call)的工具，无论是Java还是Pyhton很多资源申请都会变成都会变成System Call。（比如打开文件、新建线程、读写数据、等待I/O）通过这个工具我至少可以知道Tomcat是停止在哪个System Call上的，这样可以方便我推断出问题的原因。
strace -f -o strace.out ./catalina.sh run

strace有很多参数，我用了二个参数
-f 跟踪fork的子进程，通俗的说会跟踪所有线程的系统调用

(
-f -- follow forks, -ff -- with output into separate files

)

-o把内容输出到文件

其他参数请自行搜索下面分析strace.out文件，分析的方法是从下往上（被阻塞的地方肯定是在最后咯）。首先我们需要去掉Tomcat停止引起的System Call，它们不是我们需要的。从后往前搜索找到SIGINT

红色部分以上就是引起阻塞的系统调用了，上面有一大堆一大堆的futex
的调用，它是Linux中的一种轻量级的同步方法，所以我们可以判断出最上面肯定是有某个System Call就是阻塞的真正元凶。跳过所有的futex

 

 

这个read
就是引起后面一串futex
的真正原因，strace非常聪明它不仅仅给出了System Call还给出了传递的参数和返回值，read读取的是51号文件句柄，没有返回成功(unfinished)。顺着这条路，我们看一下51号文件句柄是什么

 

 

/dev/random是Linux下的随机函数生成器，读取它相当于生成随机数字。搜索它，第一个是wiki

 

至此似乎一切真相大白了，/dev/random会根据噪音产生随机数，如果噪音不够它就会阻塞。Linux是通过I/O，键盘终端、内存使用量、CPU利用率等方式来收集噪音的，如果噪音不够生成随机数的时候就会被阻塞。
深入分析

 

如果用Tomcat /dev/random作为关键字基本上就能够回答我们的疑惑了。Tocmat的Session ID是通过SHA1算法计算得到的，计算Session ID的时候必须有一个密钥。为了提高安全性Tomcat在启动的时候回通过随机生成一个密钥。在 http://wiki.apache.org/tomcat/HowTo/FasterStartUp (Entropy Source部分)有一段解释。stackoverflow上面也有一大批这方面的说明，所以这里就不再多做介绍。明白了问题的原因解决起来就非常简单了——替换/dev/random为/dev/unrandom，用伪随机函数生成器(/dev/urandom)来替代随机函数生成器(/dev/random)。
通过修改Tomcat启动文件-Djava.security.egd=file:/dev/urandom

通过修改JRE中的java.security文件securerandom.source=file:/dev/urandom

当然JVM的开发者不是傻瓜，Tomcat的开发者也不是二百五。他们之所以没有选择/dev/urandom是为了提高系统的安全性，/dev/urandom并不是真正的随机行为。（其实一般情况下/dev/urandom也是足够安全的不太容易被“重复”）
彻底解决问题

上面介绍的两种方式都是用/dev/urandom替换/dev/random，其实还有第三种方式——增大/dev/random的熵池。问题的原因是由于熵池不够大，所以增大它是最彻底的方法。通过cat /proc/sys/kernel/random/entropy_avail
我们可以查看现在的熵池大小；我们需要找到一种方式来提高这个值就行了。如果你的CPU带有DRNG特性，可以充分利用硬件来提高熵池产生的速度 。通过cat /proc/cpuinfo | grep rdrand
可以查看自己的CPU是否支持，一般来说Intel的Ivy_Bridge架构的CPU都支持（i3、i5需要注意是否采用该种架构，i7和xeon基本上都支持）；AMD的CPU在2015年以后生成的都支持。（如果你是虚拟机需要开启额外的参数)。如果你的硬件不支持，也没有关系，我们可以让/dev/unrandom来做“熵源”。以Centos7为例，
yum install rngd-tools
或者yum install rng-tools
安装rngd服务（熵服务）

systemctl start rngd
启动服务
如果你的CPU不支持DRNG特性或者像我一样使用虚拟机，可以使用/dev/unrandom来模拟。

cp /usr/lib/systemd/system/rngd.service /etc/systemd/system

编辑/etc/systemd/system/rngd.service
service小结，ExecStart=/sbin/rngd -f -r /dev/urandom

systemctl daemon-reload
重新载入服务

systemctl restart rngd
重启服务

经过上面的修改，我们再观察/proc/sys/kernel/random/entropy_avail
基本上在3000左右。我们可以测试一下随机数的生成速度
watch -n 1 cat /proc/sys/kernel/random/entropy_avail
观察这个值

新打开一个shell，用dd命令测试随机数。dd if=/dev/random of=random.dat count=40960

[root@localhost bin]# dd if=/dev/random of=random.dat count=40960记录了0+40960 的读入记录了6004+1 的写出3074362字节(3.1 MB)已复制，5.01017 秒，614 kB/秒

5秒产生了40960个随机数，/proc/sys/kernel/random/entropy_avail会有剧烈的变化，所有随机数产生之后它又会保持在3000左右。
选择哪种解决方法

个人建议选择第三种方式，熵池不仅仅Tomcat用，Linux下的所有应用程序产生随机数都会用到这个，所以不仅仅是Tomcat可能被阻塞。如果你搜索会发现Apache、nginx、OpenSSL都被这个问题坑过。如果我们通过修改Java的配置来解决这个问题其实只是解决Java应用程序的问题，只能是治标不治本。根治的方法应该是通过rngd
提高随机数生成的速度。
总结

经验不是经历。用别人的经验解决一个问题不难，难的是自己从头走一遍这条路，更加难的是推翻前人的经验对一个问题能够有自己的看法和领悟。这个案例加深了我对strace
的理解，对于空中加油
这种类型的系统调试有了自己的经验；通过对原因的深入分析我找到了更好的办法。这就是康德精神——思考、批判、理性。
如何重现故障

可以很容易的重现文章中描述的故障
systemctl stop rngd
停止rngd服务（如果你有启动rngd）

查看当前熵池的大小cat /proc/sys/kernel/random/entropy_avail

head -c1024 /dev/random
，强制消费1024个随机数，系统会长时间没有反应。直接ctrl+c

再次查看熵池的大小cat /proc/sys/kernel/random/entropy_avail
，保证它的大小在尽可能的小

启动tomcat，会发现长时间很长时间的等待

还有一个解决方案

在sun的bug database中也已经有人给出，即在java程序启动参数中添加：-Djava.security.egd=file:/dev/urandom，使用/dev/urandom生成随机数。

Linux修改catalina.sh文件

JAVA_OPTS=”-server -Dfile.encoding=UTF-8 -Xms=512m -Xmx1024m -XX:PermSize=128m -XX:MaxPermSize=256m -verbose:gc -Xloggc:${CATALINA_HOME}/logs/gc.log`date +%Y-%m-%d-%H-%M` -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+CMSIncrementalMode -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -noclassgc”

 

Linux中的随机数发生器

在Linux操作系统中，有一个特殊的设备文件，可以用作随机数发生器或伪随机数发生器。

/dev/random

在读取时，/dev/random设备会返回小于熵池噪声总数的随机字节。/dev/random可生成高随机性的公钥或一次性密码本。若熵池空了，对/dev/random的读操作将会被阻塞，直到从别的设备中收集到了足够的环境噪声为止。

当然你也可以设置成不堵塞，当你在open 的时候设置参数O_NONBLOCK， 但是当你read的时候，如果熵池空了，会返回-1

/dev/urandom

/dev/random的一个副本是/dev/urandom （"unlocked"，非阻塞的随机数发生器[4]），它会重复使用熵池中的数据以产生伪随机数据。这表示对/dev/urandom的读取操作不会产生阻塞，但其输出的熵可能小于/dev/random的。它可以作为生成较低强度密码的伪随机数生成器，不建议用于生成高强度长期密码。

 

 

参考:

https://www.jianshu.com/p/576d356dc163