Tomcat调优及acceptCountmaxConnections与maxThreads参数的含义和关系

Posted 2023-02-01 OkidoGreen

maxThreads（包括minSpareThreads）是tomcat工作线程池的配置参数，maxThreads就相当于jdk线程池的maxPoolSize，而minSpareThreads就相当于jdk线程池的corePoolSize，线程任务就是一个连接的请求，，每一个请求都会尝试新建要给Worder线程来处理！

acceptCount、maxConnections实际上是tcp层面的参数，因此我们需要先了解TCP建立连接的三次握手时的过程。

1 握手队列

首先，TCP的三次握手和四次挥手的一般流程图如下：

我们在此前就详细讲过了具体的流程（TCP和UDP协议以及TCP的三次握手和四次挥手），这里不再赘述。这里想要说的是，这张图中还有一些TCP连接的细节没有讲到，而这个细节真是我们现在需要学习的！

实际上，对于Client端的一个请求，Client首先发送SYN给服务端，OS（操作系统内核）会把连接信息放到一个SYN队列（SYN Queue）中，SYN队列是一个半连接队列（因为还没有真正的建立TCP连接），同时服务器返回一个SYN+ACK包给客户端，并且在没有收到ACK包时重传，直到超时。

Client收SYN+ACK包后，再次发送ACK包给服务端，三次握手成功，OS会把连接从SYN队列中移除，并创建一个完整的连接，随后将该连接加入Accept队列（Accept Queue）中，Accept队列是一个全连接队列（因为此时已经真正的建立了TCP连接），等待被上层应用程序取走的连接。当应用程序进程调用accept()系统从accept队列中获取已经建立成功的连接套接字之后，这个socket将移除Accept队列。

如下图所示：

如果Accept全队列满了之后，即使Client继续向server发送ACK的包，服务端会通过/proc/sys/net/ipv4/tcp_abort_on_overflow来决定如何响应：

# cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_abort_on_overflow
0

0表示Server直接丢弃该ACK，Server过一段时间再次发送SYN+ACK给Client（也就是重新走握手的第二步），如果Client超时等待比较短，就会返回read timeout；1表示发送RST通知Client，Client端会返回connection reset by peer。

如果是SYN半连接队列满了，不开启syncookies的时候，服务端会丢弃新来的SYN包，而Client在多次重发SYN包得不到响应而返回connection timeout错误。但是，当Server端开启了syncookies=1，那么SYN半连接队列就没有逻辑上的最大值了。（常说的syn floods 洪水攻击就是针对半连接队列的，攻击方不停地建连接，但是建连接的时候只做第一步，第二步中攻击方收到server的syn+ack后故意扔掉什么也不做，而Server需要不断重发直至超时，浙江导致SYN队列满其他正常请求无法进来。）

SYN队列和Accept队列都是内核系统中的队列。SYN半连接队列的大小取决于max(64, /proc/sys/net/ipv4/tcp_max_syn_backlog)，一般情况下无法通过高级程序语言直接控制，Accept全连接队列的大小取决于min(backlog, somaxconn)，somaxconn是一个os级别的系统参数（一般默认为128），而backlog的值则可以由我们的应用程序定义，比如Java相关的Socket和tomcat都可以去定义。

Java的ServerSocket构造器的backlog参数就是指的Accept队列的大小！

/**
 * 创建服务器套接字，绑定到指定的端口。
 */
public ServerSocket(int port) throws IOException 
    this(port, 50, null);


/**
 * 创建服务器套接字并将其绑定到指定的端口号，并指定Accept队列大小backlog
 */
public ServerSocket(int port, int backlog) throws IOException 
    this(port, backlog, null);

可以看到，默认的ServerSocket的backlog为50。

2 tomcat的参数解释

对于tomcat应用程序来说，tomcat使用Acceptor线程专门负责从Accept队列中取出connection，接受该connection，然后交给工作线程去处理（读取请求参数、处理逻辑、返回响应等等）。如果该连接不是keep alived的话，则关闭该连接，然后该工作线程释放回线程池，如果是keep alived的话，则等待下一个数据包的到来直到keepAliveTimeout，然后关闭该连接释放回线程池。然后Acceptor线程接着去accept队列取connection。

1. maxConnections
   1. 表示最多可以有多少个socket连接到tomcat上，也就是Acceptor能同时接受的最大连接数。当当前socket连接超过maxConnections的时候，Acceptor线程自己会阻塞等待，等连接降下去之后，才去处理Accept队列的下一个连接)。
   2. 对于BIO来说，每一个建立的连接都需要一个Worker线程处理，一般maxConnections取值与maxThreads相同，默认为200（如果配置了Executor，则默认值是Executor的maxThreads）；
   3. 对于NIO 和 NIO2，由于采用了NIO的IO多路复用模型，一个Poller线程中的Selector可以同时接受和处理多个socket连接并监听事件，只有当连接中有的请求到来时才会使用Worker线程去处理。maxConnections应该配置得比maxThreads要大的多，默认情况下是10000。
   4. 对于APR/native，默认值为 8192，并且如果配置的值不是1024的倍数，maxConnections 的实际值将减少到1024的最大倍数。
2. acceptCount
   1. acceptCount指的就是Accept队列的大小，即OS维护的TCP完全连接队列的大小。换句话说，就是指当前同时连接数超过maxConnections的时候，还可接受的连接数。默认值为100。
   2. 当accept队列满了之后，client可能会返回read timeout 或者 connection reset by peer（tomcat官网说的是返回connection refused）。
3. maxThreads
   1. tomcat的Connector工作线程池的最大并发线程数量，即同一时刻tomcat最多maxThreads个worker线程在处理通过Acceptor接收的客户端的请求。这是真正的tomcat并发数。
   2. 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。
   3. 总之，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。线程数的经验值为：1核2g内存为200，线程数经验值200；4核8g内存，线程数经验值800。

参考资料：

1. Apache Tomcat 8 Configuration Reference
2. 深入理解-Tomcat-(二)-从宏观上理解-Tomcat-组件及架构
3. 深度解读Tomcat中的NIO模型
4. 详解tomcat的连接数与线程池

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Tomcat中Max-thread配置项对TPS的影响

压测指标以及对应含义:

压力工具中的线程数和用户数与 TPS的关系？
Jmeter中线程数即虚拟用户数量；TPS即每秒事务数。在性能测试过程中，TPS 之所以重要，是因为它可以反应出一个系统的处理能力。

我们常说的并发是什么？

我们要先说明"并发"这个概念是靠什么数据来承载的。在上面的内容中，我们说了好多的指标，但并发是需要具体的指标来承载的。你可以说，我的并发是 1000TPS，或者 1000RPS，或者 1000HPS，这都随便你去定义（一般我们使用TPS来定义这个概念）。但是在一个具体的项目中，当你说到并发 1000 这样没有单位的词时，一定要让大家都能理解这是什么。比如一个线程平均处理请求的时间是250ms，压力工具是 4 个并发线程，由于每个线程都可以在一秒内完成 4 个事务，所以总的 TPS 是 16。

本次压测过程中，主要监控的几项指标： tps，响应时间，错误数，线程数，cpu使用率，jvm内存；

tps，响应时间，错误率可以使用jmeter来进行压测，结合报告进行判断；

线程数，cpu使用率，jvm内存则使用jconsole来进行监控。

jmeter相关参数配置以及指标

测试场景：

使用梯度施压的测试场景，最大压力值为600虚拟用户，每次增加30线程，每次施压持续一分钟。

Jconsole监控tomcat性能指标；

在jdk安装目录下，打开jconsole.exe可执行程序，即可看到如下界面；

这边可以选择本地进程以及远程进程，远程进程则需要配置

export JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -Dcom.sun.management.jmxremote"

export JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -Dcom.sun.management.jmxremote.port=9001"

export JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -Djava.rmi.server.hostname=x.x.x.x"

export JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false"

export JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false"

正确配置后即可看到应用程序的一个概况：

tomcat参数调整：

Tomcat主要负责两件事:

1、处理 Socket 连接，负责网络字节流与 Request 和 Response 对象的转化。

2、加载和管理 Servlet，以及具体处理 Request 请求

因此。Tomcat设计了两个核心组件连接器（Connector）和容器（Container）来分别做这两件事情。连接器负责对外交流，容器负责内部处理。

 

 连接器用 ProtocolHandler来处理网络连接和应用层协议，包含了 2 个重要部件:

Endpoint 接收到 Socket 连接后，生成一个 SocketProcessor 任务提交到线程池去处理，SocketProcessor 的 run 方法会调用 Processor 组件去解析应用层协议，Processor 通过解析生成 Request 对象后，会调用 Adapter 的 Service 方法。

Tomcat关于ProtocolHandler的实现主要有NIO/NIO2/APR三种方式，分别代表非阻塞io,异步io，APR 本地库实现的非阻塞io；

因此Tomcat调优主要基于两个方向：

线程池参数

accept-count：最大等待数

官方文档的说明为：当所有的请求处理线程都在使用时，所能接收的连接请求的队列的最大长度。当队列已满时，任何的连接请求都将被拒绝。accept-count的默认值为100。

详细的来说：当调用HTTP请求数达到tomcat的最大线程数时，还有新的HTTP请求到来，这时tomcat会将该请求放在等待队列中，这个acceptCount就是指能够接受的最大等待数，默认100。如果等待队列也被放满了，这个时候再来新的请求就会被tomcat拒绝（connection refused）。

maxThreads：最大线程数

每一次HTTP请求到达Web服务，tomcat都会创建一个线程来处理该请求，那么最大线程数决定了Web服务容器可以同时处理多少个请求。maxThreads默认200，肯定建议增加。但是，增加线程是有成本的，更多的线程，不仅仅会带来更多的线程上下文切换成本，而且意味着带来更多的内存消耗。JVM中默认情况下在创建新线程时会分配大小为1M的线程栈，所以，更多的线程异味着需要更多的内存。

maxConnections：最大连接数

官方文档的说明为：

这个参数是指在同一时间，tomcat能够接受的最大连接数。对于Java的阻塞式BIO，默认值是maxthreads的值；如果在BIO模式使用定制的Executor执行器，默认值将是执行器中maxthreads的值。对于Java 新的NIO模式，maxConnections 默认值是10000。

对于windows上APR/native IO模式，maxConnections默认值为8192，这是出于性能原因，如果配置的值不是1024的倍数，maxConnections 的实际值将减少到1024的最大倍数。

如果设置为-1，则禁用maxconnections功能，表示不限制tomcat容器的连接数。

maxConnections和accept-count的关系为：当连接数达到最大值maxConnections后，系统会继续接收连接，但不会超过acceptCount的值。

maxConnections、maxThreads、acceptCount关系

用一个形象的比喻，通俗易懂的解释一下tomcat的最大线程数（maxThreads）、最大等待数（acceptCount）和最大连接数（maxConnections）三者之间的关系。我们可以把tomcat比做一个火锅店，流程是取号、入座、叫服务员，可以做一下三个形象的类比：

（1）acceptCount 最大等待数

可以类比为火锅店的排号处能够容纳排号的最大数量；排号的数量不是无限制的，火锅店的排号到了一定数据量之后，服务往往会说：已经客满。

（2）maxConnections 最大连接数

可以类比为火锅店的大堂的餐桌数量，也就是可以就餐的桌数。如果所有的桌子都已经坐满，则表示餐厅已满，已经达到了服务的数量上线，不能再有顾客进入餐厅了。

（3）maxThreads：最大线程数

可以类比为厨师的个数。每一个厨师，在同一时刻，只能给一张餐桌炒菜，就像极了JVM中的一条线程。

整个流程如下：

（1）取号：如果maxConnections连接数没有满，就不需要取号，因为还有空余的餐桌，直接被大堂服务员领上餐桌，点菜就餐即可。如果 maxConnections 连接数满了，但是取号人数没有达到 acceptCount，则取号成功。如果取号人数已达到acceptCount，则拿号失败，会得到Tomcat的Connection refused connect 的回复信息。

（2）上桌：如果有餐桌空出来了，表示maxConnections连接数没有满，排队的人，可以进入大堂上桌就餐。

（3）就餐：就餐需要厨师炒菜。厨师的数量，比顾客的数量，肯定会少一些。一个厨师一定需要给多张餐桌炒菜，如果就餐的人越多，厨师也会忙不过来。这时候就可以增加厨师，一增加到上限maxThreads的值，如果还是不够，只能是拖慢每一张餐桌的上菜速度，这种情况，就是大家常见的"上一道菜吃光了，下一道菜还没有上"尴尬场景。

IO模型选择

I/O 调优实际上是连接器类型的选择，一般情况下默认都是 NIO，在绝大多数情况下都是够用的，除非你的 Web 应用用到了 TLS 加密传输，而且对性能要求极高，这个时候可以考虑 APR，因为 APR 通过 OpenSSL 来处理 TLS 握手和加 / 解密。OpenSSL 本身用 C 语言实现，它还对 TLS 通信做了优化，所以性能比 Java 要高。如果你的 Tomcat 跑在 Windows 平台上，并且 HTTP 请求的数据量比较大，可以考虑 NIO.2，这是因为 Windows 从操作系统层面实现了真正意义上的异步 I/O，如果传输的数据量比较大，异步 I/O 的效果就能显现出来。如果你的 Tomcat 跑在 Linux 平台上，建议使用 NIO，这是因为 Linux 内核没有很完善地支持异步 I/O 模型，因此 JVM 并没有采用原生的 Linux 异步 I/O，而是在应用层面通过 epoll 模拟了异步 I/O 模型，只是 Java NIO 的使用者感觉不到而已。因此可以这样理解，在 Linux 平台上，Java NIO 和 Java NIO.2 底层都是通过 epoll 来实现的，但是 Java NIO 更加简单高效。

Springboot中，可通过如下来配置其他protocol

经测试，在设定的几种测试场景中NIO,NIO2对性能影响不大。所以本文使用nio为io模型进行测试；

确定了tomcat调整的方向，我们即可制定几组测试数据来进行压测，观察配置项对各指标的影响，

测试类代码如下：

即sleep 1000ms，然后使用jdbctemplate进行一次数据库查询；

首先我们观察max-thread对并发的影响；

这里配置max-thread = 50；max-thread=200两组数据，进行梯度压测

max-thread = 50

响应时间：

 线程数：

 TPS：

 请求响应时间：

 线程数和响应时间：

 

 通过响应时间和线程数图可以看到，线程达到50左右后，响应时间上升的斜度开始升高，说明到达瓶颈，从tps图中可以看到，程序的并发峰值达到50tps左右，在50线程左右达到最高，而后趋于稳定；通过请求与响应时间图可以看到，当每秒请求（rps）达到35-40左右时， 开始出现响应时间波动；通过线程数与响应时间可以看到，当活动线程数达到50左右，响应时间开始出现升高；

max-thread = 200

响应时间：

 线程数：

 TPS：

 请求响应时间：

 线程数和响应时间：

 

 通过响应时间和线程数图可以看到，线程达到200左右后，响应时间开始升高，说明性能存在瓶颈，从tps图中可以看到，程序的并发峰值达到200tps左右，在200线程左右达到最高，而后趋于稳定；通过请求与响应时间图可以看到，当每秒请求（rps）达到190左右时， 开始出现响应时间波动；通过线程数与响应时间可以看到，当活动线程数达到200左右，响应时间开始出现升高；

因此可以得到结论，当系统达到瓶颈时，通过提高max-thread可提升系统的吞吐量，TPS=( max-thread/平均响应时间) ,比如接口响应时间平均为20ms，则50的最大thread可达到2500左右的tps，每个线程每秒钟可处理50个请求;但如果盲目调大最大线程数，会造成大量的线程切换，导致吞吐量无法达到预期的值（如下图所示，设置最大线程数为2000，并用2000的虚拟用户进行压测，系统吞吐量在1700左右：由于线程数为2000，但由于大量线程之间切换，平均响应时间却超过了1s，所以导致每秒事务处理量无法到达预期

带宽对性能的影响：

假设服务器带宽为10Mbps，则每秒1.25MB的下载速度。

当对服务器进行压力测试时，如果服务器各项指标利用率还比较低，而tps已经达到瓶颈，则可以先考虑带宽的因素；

tomcat最大并发,是不是就是maxThread配置的数值？

不是。假设接口响应时间在50ms，则每个线程1秒钟可以处理20个请求，则tps为20*maxthreads