浅尝Java NIO与Tomcat简单连接调优

Posted 源码笔记

tags:

篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了浅尝Java NIO与Tomcat简单连接调优相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

P本文使用jdk1.8.0_45
spring boot 2.1.4.RELEASE 

涉及源码都放在
https://github.com/sabersword/Nio
前因



这周遇到一个连接断开的问题,便沿着这条线学习了一下Java NIO,顺便验证一下Tomcat作为spring boot默认的web容器,是怎样管理空闲连接的。

Java NIO(new IO/non-blockingIO)不同于BIO,BIO是堵塞型的,并且每一条学习路线的IO章节都会从BIO说起,因此大家非常熟悉。而NIO涉及Linux底层的select,poll,epoll等,要求对Linux的网络编程有扎实功底,反正我是没有搞清楚,在此推荐一篇通俗易懂的入门文章:

https://www.jianshu.com/p/ef418ccf2f7d

此处先引用文章的结论:

  • 对于socket的文件描述符才有所谓BIO和NIO。

  • 多线程+BIO模式会带来大量的资源浪费,而NIO+IO多路复用可以解决这个问题。

  • 在Linux下,基于epoll的IO多路复用是解决这个问题的最佳方案;epoll相比select和poll有很大的性能优势和功能优势,适合实现高性能网络服务。


底层的技术先交给大神们解决,我们着重从Java上层应用的角度了解一下。

JDK 1.5起使用epoll代替了传统的select/poll,极大提升了NIO的通信性能,因此下文提到Java NIO都是使用epoll的。

Java NIO涉及到的三大核心部分ChannelBufferSelector,它们都十分复杂,单单其中一部分都能写成一篇文章,就不班门弄斧了。此处贴上一个自己学习NIO时设计的样例,功能是服务器发布服务,客户端连上服务器,客户端向服务器发送若干次请求,达到若干次答复后,服务器率先断开连接,随后客户端也断开连接。

NIO服务器端关键代码

public void handleRead(SelectionKey key) {
    SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
    ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
    try {
        long bytesRead = sc.read(buf);
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        while (bytesRead > 0) {
            buf.flip();
            while (buf.hasRemaining()) {
                sb.append((char) buf.get());
            }
            buf.clear();
            bytesRead = sc.read(buf);
        }
        LOGGER.info("收到客户端的消息:{}", sb.toString());
        writeResponse(sc, sb.toString());
        if (sb.toString().contains("3")) {
            sc.close();
        }
    } catch (IOException e) {
        key.cancel();
        e.printStackTrace();
        LOGGER.info("疑似一个客户端断开连接");
        try {
            sc.close();
        } catch (IOException e1) {
            LOGGER.info("SocketChannel 关闭异常");
        }
    }
}


NIO客户端关键代码

Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {
    SelectionKey key = iter.next();
    if (key.isConnectable()) {
        while (!socketChannel.finishConnect()) ;
        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocateDirect(1024));
        LOGGER.info("与服务器连接成功,使用本地端口{}", socketChannel.socket().getLocalPort());
    }
    if (key.isReadable()) {
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
        long bytesRead;
        try {
            bytesRead = sc.read(buf);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            LOGGER.info("远程服务器断开了与本机的连接,本机也进行断开");
            sc.close();
            continue;
        }
        while (bytesRead > 0) {
            buf.flip();
            while (buf.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) buf.get());
            }
            System.out.println();
            buf.clear();
            bytesRead = sc.read(buf);
        }
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        String info = "I'm " + i++ + "-th information from client";
        buffer.clear();
        buffer.put(info.getBytes());
        buffer.flip();
        while (buffer.hasRemaining()) {
            sc.write(buffer);
        }
    }
    iter.remove();
}


服务器日志

客户端日志

浅尝Java NIO与Tomcat简单连接调优


从这个样例可以看到,客户端和服务器都能根据自身的策略,与对端断开连接,本例中是服务器首先断开连接,根据TCP协议,必然有一个时刻服务器处于FIN_WAIT_2状态,而客户端处于CLOSE_WAIT状态

浅尝Java NIO与Tomcat简单连接调优

我们通过netstat命令找出这个状态,果不其然。

浅尝Java NIO与Tomcat简单连接调优


但是JDK提供的NIO接口还是很复杂很难写的,要用好它就必须借助于NettyMina等第三方库的封装,这部分就先不写了。接下来考虑另外一个问题,在大并发的场景下,成千上万的客户端涌入与服务器连接,连接成功后不发送请求,浪费了服务器宝贵的资源,这时服务器该如何应对?

答案当然是设计合适的连接池来管理这些宝贵的资源,为此我们选用Tomcat作为学习对象,了解一下它是如何管理空闲连接的。

TomcatConnector组件用于管理连接,Tomcat8默认使用Http11NioProtocol,它有一个属性ConnectionTimeout,注释如下:浅尝Java NIO与Tomcat简单连接调优

可以简单理解成空闲超时时间,超时后Tomcat会主动关闭该连接来回收资源。

我们将它修改为10秒,得到如下配置类,并将该spring boot应用打包成tomcat-server.jar

@Component
public class MyEmbeddedServletContainerFactory extends TomcatServletWebServerFactory {

    public WebServer getWebServer(ServletContextInitializer... initializers) {
        // 设置端口
        this.setPort(8080);
        return super.getWebServer(initializers);
    }

    protected void customizeConnector(Connector connector) {
        super.customizeConnector(connector);
        Http11NioProtocol protocol = (Http11NioProtocol) connector.getProtocolHandler();
        // 设置最大连接数
        protocol.setMaxConnections(2000);
        // 设置最大线程数
        protocol.setMaxThreads(2000);
        // 设置连接空闲超时
        protocol.setConnectionTimeout(10 * 1000);
    }
}


我们将上文的NIO客户端略微修改一下形成TomcatClient,功能就是连上服务器后什么都不做。

Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {
    SelectionKey key = iter.next();
    if (key.isConnectable()) {
        while (!socketChannel.finishConnect()) ;
        socketChannel.configureBlocking(false);
        socketChannel.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocateDirect(1024));
        LOGGER.info("与远程服务器连接成功,使用本地端口{}", socketChannel.socket().getLocalPort());
    }
    if (key.isReadable()) {
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
        long readCount;
        readCount = sc.read(buf);
        while (readCount > 0) {
            buf.flip();
            while (buf.hasRemaining()) {
                System.out.print((char) buf.get());
            }
            System.out.println();
            buf.clear();
            readCount = sc.read(buf);
        }
        // 远程服务器断开连接后会不停触发OP_READ,并收到-1代表End-Of-Stream
        if (readCount == -1) {
            LOGGER.info("远程服务器断开了与本机的连接,本机也进行断开");
            sc.close();
        }
    }
    iter.remove();
}


分别运行服务器和客户端,可以看到客户端打印如下日志

浅尝Java NIO与Tomcat简单连接调优

30:27连上服务器,不进行任何请求,经过10秒后到30:37被服务器断开了连接。

此时netstat会发现还有一个TIME_WAIT的连接

浅尝Java NIO与Tomcat简单连接调优

根据TCP协议主动断开方必须等待2MSL才能关闭连接,Linux默认的2MSL=60秒(顺带说一句网上很多资料说CentOS/proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout能修改2MSL的时间,实际并没有效果,这个参数应该是被写进内核,必须重新编译内核才能修改2MSL)。持续观察netstat发现31:36的时候TIME_WAIT连接还在,到了31:38连接消失了,可以认为是31:37关闭连接,对比上文30:37刚好经过了2MSL(默认60秒)的时间。

以上是关于浅尝Java NIO与Tomcat简单连接调优的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

Tomcat性能调优

Day786.NIO的优化实现原理 -Java 性能调优实战

Tomcat并发数优化,修改service.xml性能调优 增加最大并发连接数

Tomcat性能调优

Tomcat调优——实战

tomcat 性能调优