tomcat 的并发能力分析

Posted 2023-03-15 墨鸦_Cormorant

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了tomcat 的并发能力分析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

tomcat

参考：Tomcat的3个参数acceptCount、maxConnections、maxThreads

Tomcat 的核心组件

Tomcat 由 2 大核心组件组成：Connector、Container

Tomcat 处理请求的过程

请求在 tomcat 服务器的处理过程（BIO 模式）

客户端与服务端完成三次握手建立了连接，连接信息会存放在 ServerSocket 连接请求的队列中（队列长度为 acceptCount）
如果提交到线程池的任务数没有超过 maxConnections，那么就 ServerSocket.accept() 返回 socket 对象，封装为任务提交到线程池；

如果提交的任务数超过了 maxConnections，则阻塞
任务提交到线程池后，分三种情况：
- 线程数 <= minSpareThreads：不管有没有空闲线程，都新建线程来处理任务
- minSpareThreads < 线程数 < maxThreads：新任务会优先使用空闲线程，如果没有空闲线程就新建线程
- 线程数 == maxThreads：新任务就会在 Connector 创建的 ServerSocket 队列中堆积起来，直到到达最大的配置值（acceptCount 属性值）
若队列已满，任何再来的请求将会收到 connection refused 错误，直到有可用的资源来处理它们

当任务被处理完后，则销毁任务以及任务中的 socket 对象，该连接被释放

Connector 的 protocol（协议）

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（Blocking IO）：阻塞的 IO
NIO（Non-blocking IO）：非阻塞的 IO
APR（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，但需要安装 apr、apr-utils、tomcat-native 等包。

BIO

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。
Worker 是 Tomcat 自带的线程池，如果通过配置了其他线程池，原理与 Worker 类似。

NIO

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，还使用了 Poller，处理流程如下图所示：

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。

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。

影响并发的 tomcat 参数

maxConnections ：Tomcat 在任意时刻接收和处理的最大连接数（可以提交给线程池的最大任务数）

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（socket）；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
  
  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
- BIO 的默认值为 maxThreads（如果配置了 Executor，则默认值是 Executor 的 maxThreads）
acceptCount ：允许的最大并发连接数（瞬时连接、瞬时并发数），为 ServerSocket 连接请求的队列长度，默认值为 100

请求连接在任务队列中时，客户端显示为浏览器显示“转圈”

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。

实际场景中，常见的表象是 nginx 响应 502，Tomcat 中没有任何 access 日志，此时应该调大该值。
minProcessors：服务器启动时，线程池创建的最少线程数
maxProcessors（maxThreads ）：线程池最大连接线程数。默认值为 200

线程数小于此数时，每次来任务若有空闲线程，使用空闲线程处理，如果没有空闲线程则新建线程处理

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。

注：
- 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。
  
  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；
  
  故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
minSpareThreads ：线程池最小空闲线程数（多余的空闲线程都将杀死）。默认值为 25

线程数小于此数时，每次来任务都新建线程处理
maxSpareThreads ：线程池最大空闲线程数

一旦创建的线程超过这个值，Tomcat 就会关闭不再需要的 socket 线程
maxIdLeTime：一个线程空闲多久算是一个空闲线程，单位：毫秒
connectionTimeout ：网络连接超时。单位：毫秒。默认值为 60000ms（60秒）

设置为 0 表示永不超时，但这样设置有隐患的。通常设置为 30000 毫秒或使用默认值
disableUploadTimeout ：禁用上传超时，主要用于大数据上传时，允许 Servlet 容器正在执行使用一个较长的连接超时值，以使 Servlet 有较长的时间来完成它的执行，默认值为 false
enableLookups ：是否反查域名，取值为：true 或 false

若为 true，则可以通过调用 request.getRemoteHost() 进行 DNS 查询来得到远程客户端的实际主机名

若为 false，则不进行DNS查询，而是返回其 ip 地址

为了提高处理能力，应设置为 false

补充说明：

maxThreads 和 acceptCount 属性对 tomcat 能同时处理的请求数和请求响应时间有直接的影响。

无论 acceptCount 值为多少，maxThreads 直接决定了实际可同时处理的请求数。

而不管 maxThreads 如何，acceptCount 则决定了有多少请求可等待处理。
然而，不管是可立即处理请求还是需要放入等待区，都需要 tomcat 先接受该请求（即接受客户端的连接请求，建立socketchannel），那么 tomcat 同时可建立的连接数（maxConnections 属性值）也会影响可同时处理的请求数。

如何设置 acceptCount 、maxConnections、maxThreads 的值：

CPU 越不密集（或 IO 越密集），maxThreads 应该越大
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（默认值为 maxThreads）

如果 tomcat使用的是 NIO，maxConnections 值应该远大于 maxThreads（默认值为 10000）
Tomcat 能够接收的连接数 = maxThreads + 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

在线用户数、连接数、瞬时并发数、线程数的区别

在线用户数 = 连接数 + 静态用户数（已登录，但连接已断开，只是在浏览静态数据）（有session对象，没有socket对象）
连接数 = 已接受连接数 + 瞬时并发数（acceptCount：在连接队列里等待的socket对象数）
已接受连接数 = 线程数（RUNNABLE状态）（正在处理）+ 任务队列中的任务数（已接受，待处理）

影响并发的其他限制因素

Tomcat 的运行模式
- BIO（阻塞式的 Socket 通信）模式
  
  Tomcat8 以下版本，默认的 HTTP 实现是采用 BIO 模式，每个请求都需要创建一个线程处理
  
  这种模式下的并发量受到线程数的限制，不大适合高并发，但技术成熟。
  
  每个进程中的线程数受制于操作系统的内核参数设置：
  - Windows 主机每个进程中的线程数不允许超过 2000
  - Linux 主机每个进程中的线程数不允许超过 1000
- NIO模式（非阻塞式的 Socket 通信）
  
  Tomcat8 以上版本，默认使用的就是 NIO 模式，在性能上高于阻塞式的，每个请求也不需要创建一个线程进行处理，并发能力比前者高。
- APR 模式（全称 Apache Portable Runtime）
  
  是 Tomcat 生产环境运行的首选方式。但必须要安装 APR 和 Native，直接启动就支持 APR。
  
  APR 是从操作系统级别解决异步 IO 问题。APR 的本质就是使用 JNI 技术调用操作系统底层的 IO 接口，所以需要提前安装所需要的依赖。
  
  如果操作系统未安装 APR 或者 APR 路径未指到 Tomcat 默认可识别的路径，则 APR 模式无法启动，自动切换启动 NIO 模式。
  
  注：APR 模式可以提升 Tomcat 对静态文件的处理性能，当然也可以采用动静分离。
JVM 调优（tomcat 可以使用的内存）

Tomcat 是运行在 JVM 上的，所以对 JVM 的调优也是非常有必要的

在 Java 中每开启一个线程需要耗用 1MB 的 JVM 内存空间用于作为线程栈之用

tomcat 默认可以使用的内存为128MB，在并发量较大的应用项目中，这点内存是不够的，需要修改 JVM 参数调优
- Unix下，在文件tomcat_home/bin/catalina.sh的前面，增加如下设置：
  
  JAVA_OPTS=‘-Xms【初始化内存大小】 -Xmx【可以使用的最大内存】’
  
  需要把这个两个参数值调大。例如：JAVA_OPTS=‘-Xms256m -Xmx512m’
  
  表示初始化内存为 256MB，可以使用的最大内存为 512MB
一台主机允许的连接数、线程数、内存大小、硬件性能和 CPU 数量，都会限制实际并发数
并发能力还与应用的逻辑密切相关，如果逻辑很复杂需要大量的计算，那并发能力势必会下降。

如果每个请求都含有很多的数据库操作（或其他中间件的连接），那么对于数据库的性能要求也是非常高的。

对于单台数据库服务器来说，允许客户端的连接数量是有限制的（数据库读写的并发能力）

建议当某个应用拥有 250 个以上并发的时候，应考虑应用服务器的集群

拓展

tomcat 服务器 server.xml 文件

<Server port="8005" shutdown="SHUTDOWN">  
<!-- 属性说明  
    port: 指定一个端口，这个端口负责监听关闭Tomcat的请求  
    shutdown: 向以上端口发送的关闭服务器的命令字符串  
-->  
    <Listener className="org.apache.catalina.core.AprLifecycleListener" />  
    <Listener className="org.apache.catalina.mbeans.ServerLifecycleListener" />  
    <Listener className="org.apache.catalina.mbeans.GlobalResourcesLifecycleListener" />  
    <Listener className="org.apache.catalina.storeconfig.StoreConfigLifecycleListener"/>  

    <GlobalNamingResources>  
        <Environment name="simpleValue" type="java.lang.Integer" value="30"/>  
        <Resource name="UserDatabase" auth="Container" type="org.apache.catalina.UserDatabase" 
                  description="User database that can be updated and saved"
                  factory="org.apache.catalina.users.MemoryUserDatabaseFactory" 
                  pathname="conf/tomcat-users.xml" />    
    </GlobalNamingResources>  
    
    <!--  每个Service元素只能有一个Engine元素。元素处理在同一个<Service>中所有<Connector>元素接收到的客户请求 -->  
    <Service name="Catalina">  
    <!-- 属性说明 name: Service的名称 -->  

        <!-- Connector元素: 由Connector接口定义。<Connector>元素代表与客户程序实际交互的给件, 它负责接收客户请求，以及向客户返回响应结果 -->  
        <Connector port="8080" maxHttpHeaderSize="8192" maxThreads="150" acceptCount="100" 
                   minSpareThreads="25" maxSpareThreads="75" 
                   connectionTimeout="20000" disableUploadTimeout="true" 
                   enableLookups="false" redirectPort="8443" /> 
        <Connector port="8009" enableLookups="false" redirectPort="8443" protocol="AJP/1.3" />  
        <!--属性说明  
            port: 服务器连接器的端口号，该连接器将在指定端口侦听来自客户端的请求  
            maxThreads: 设定在监听端口的线程的最大数目，这个值也决定了服务器可以同时响应客户请求的最大数目，默认值为200
            acceptCount: 当所有可以使用的处理请求的线程都被用光时，可以放到处理队列中的请求数
                         超过这个数的请求将不予处理，而返回Connection refused错误  
            minProcessors: 服务器启动时创建的处理请求的线程数，每个请求由一个线程负责  
            maxProcessors: 最多可以创建的处理请求的线程数  
            minSpareThreads: 最小备用线程   
            maxSpareThreads: 最大备用线程
            connectionTimeout: 等待超时的时间数（以毫秒为单位）
            disableUploadTimeout: 禁用上传超时,主要用于大数据上传时
            enableLookups: 如果为true，则可以通过调用request.getRemoteHost()进行DNS查询来得到远程客户端的实际主机名；
                           若为false则不进行DNS查询，而是返回其ip地址
            redirectPort: 服务器正在处理http请求时收到了一个SSL传输请求后重定向的端口号
            debug: 日志等级
            protocol: 必须设定为AJP/1.3协议
            address: 如果服务器有两个以上IP地址，该属性可以设定端口监听的IP地址，默认情况下,端口会监听服务器上所有IP地址
        -->

        <Engine name="Catalina" defaultHost="localhost">  
        <!-- 属性说明  
        	name: 对应$CATALINA_HOME/config/Catalina中的Catalina   
            defaultHost: 缺省的处理请求的虚拟主机名
					对应Host元素中的name属性，也就是$CATALINA_HOME/config/Catalina/localhost中的localhost  
               		它至少与其中的一个Host元素的name属性值是一样的  
            debug: 日志等级  
        -->  

            <Realm className="org.apache.catalina.realm.UserDatabaseRealm" resourceName="UserDatabase"/> 
            
            <!-- 由Host接口定义。一个Engine元素可以包含多个<Host>元素，每个<Host>的元素定义了一个虚拟主机。它包含了一个或多个Web应用 -->  
            <Host name="localhost" appBase="webapps" autoDeploy="true" unpackWARs="true"  
                  xmlValidation="false" xmlNamespaceAware="false">  
            <!-- 属性说明  
        		name: 虚拟主机名。即 $CATALINA_HOME/config/Catalina/localhost中的localhost
            	appBase: 默认的应用路径，此路径相对于$CATALINA_HOME/ (web应用的基本目录) 。
						 在autoDeploy为true的情况下，可自动部署应用此路径
            	autoDeploy: 默认为true，表示如果有新的WEB应用放入appBase并且Tomcat在运行的情况下，自动载入应用
				debug: 是日志的调试等级
				unpackWARs: 如果为true，在Web应用为*.war时，tomcat会自动将WAR文件解压；
							否则不解压，直接从WAR文件中运行应用程序
       		 -->  

                <Context path="/demm" docBase="E:\\\\projects\\\\demm\\\\WebRoot" debug="0" reloadable="true" >   
                </Context>  
                <!-- 属性说明  
					path: 访问应用的上下文路由URI
						  如果http://localhost/是应用的根目录，访问此应用接口的url前缀为http://localhost/demm
            		docBase: WEB应用的目录。即 web应用的文件存放路径或者是WAR文件存放路径
                 			 注意：此目录必须符合Java WEB应用的规范
            		debug: 日志等级   
            		reloadable: 是否在程序有改动时自动重新载入。如果为true，则Tomcat将支持热部署，但会影响性能。
						即可以自动检测web应用的/WEB-INF/lib和/WEB-INF/classes目录的变化，自动装载新的JSP和Servlet。
						可以在不重起Tomcat的情况下改变web应用。
        		-->  
            </Host>  
        </Engine>  
    </Service>  
</Server>

注：

tomcat 启动后会默认占用 8080，8009和 8005 三个端口
- 8080 端口负责建立 HTTP 连接。在通过浏览器访问 Tomcat服务器的 Web 应用时，使用的就是这个连接器
- 8009 端口负责和其他 HTTP服务器建立连接。在把 Tomcat 与其他 HTTP 服务器集成时就需要用到这个连接器
- 8005 端口用来向 Tomcat 发布 shutdown 命令的

对网络端口的理解

实际上，电脑在网卡上的硬件网络端口只有一个。
常说的 1-65535 号端口，并不是真的有这么多个硬件端口，硬件端口实际上只有一个，访问所有端口的数据包都发往这个硬件端口。
硬件端口接收到数据包之后进行解析，然后通知监听对应端口的socket对象来取数据。

并发量计算

参考：并发量计算

几个概念：业务并发用户数、最大并发访问数、系统用户数、同时在线用户数

假设一个 OA 系统有 1000 用户，这就是系统用户数
最高峰同时有 500 人在线，是“同时在线人数”，也称作“最大业务并发用户数”
500 个同时使用系统用户中20%查看系统公告，不构成压力；20%填写表格（只在提交时才会请求，填写对服务器不构成压力）；40%在发呆（什么都没做）；20%用户不停从一个页面跳转另一个页面（只有这20%对服务器产生了压力）
服务器实际压力（能承受的最大并发访问数），既取决于业务并发用户数，还取决于用户的业务场景，**这些可以通过对服务器日志的分析得到，**一般只需要分析典型业务（用户常用，最关注的业务操作）。

估算业务并发用户数的公式（测试人员一般只关心业务并发用户数）

C = nL / T
C^ = C + 3 × (C的平方根)
- C 是平均的业务并发用户数
n 是 login session 的数量
- L 是 login session 的平均长度
T 是指考察的时间段长度
- C^ 是指业务并发用户数的峰值

该公式的得出是假设用户的 login session 产生符合泊松分布而估算得到。

假设：OA 系统有1000用户，每天400个用户发访问，每个登录到退出平均时间2小时，在1天时间内用户只在8小时内使用该系统。

C = 400 × 2 / 8 = 100

C^ = 100 + 3 × (100的平方根) = 100 + 3 × 10 = 130

另外，如果知道平均每个用户发出的请求数 u，则系统吞吐量可以估算为 u × C

注意：

精确估算，还要考虑用户业务操作存在一定的时间集中性（比如上班后 1 小时内是 OA 系统高峰期），采用公式计算仍然会存在偏差
针对例子 OA 系统可以把 1 小时设定为考察时间的粒度，将一天 8 小时划分为 8 个区间，这样可以解决业务操作存在集中性问题，更趋于精准，偏差更小。

系统吞度量要素

参考：系统吞吐量（TPS）、用户并发量、性能测试概念和公式

系统吞吐量的几个重要参数：QPS（TPS）、并发数、响应时间

QPS（TPS）= 并发数 / 平均响应时间
- QPS（TPS）：每秒钟request / 事务数
- 并发数：系统同时处理的request / 事务数
- 响应时间：一般取平均响应时间
（很多人经常会把并发数和 TPS 理解混淆）
一个系统吞吐量通常由 QPS（TPS）、并发数两个因素决定。

每套系统这两个值都有一个相对极限值，在应用场景访问压力下，只要某一项达到系统最高值，系统的吞吐量就上不去了

如果压力继续增大，系统的吞吐量反而会下降，原因是系统超负荷工作，上下文切换、内存等等其它消耗导致系统性能下降。
系统响应时间，由 CPU 运算、IO、外部系统响应等等组成。

tomcat 高并发配置与优化

参考：tomcat高并发配置与优化

以上是关于tomcat 的并发能力分析的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

Java Tomcat7性能监控与优化详解

高并发下载tomcat下的文件时，发生java.net.SocketException: Connection reset解决方案