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死磕Tomcat系列(2)——EndPoint源码解析

死磕Tomcat系列(2)——EndPoint源码解析

在上一节中我们描述了Tomcat的整体架构,我们知道了Tomcat分为两个大组件,一个连接器和一个容器。而我们这次要讲的EndPoint的组件就是属于连接器里面的。它是一个通信的端点,就是负责对外实现TCP/IP协议。EndPoint是个接口,它的具体实现类就是AbstractEndpoint,而AbstractEndpoint具体的实现类就有AprEndpointNio2EndpointNioEndpoint

  • AprEndpoint:对应的是APR模式,简单理解就是从操作系统级别解决异步IO的问题,大幅度提高服务器的处理和响应性能。但是启用这种模式需要安装一些其他的依赖库。
  • Nio2Endpoint:利用代码来实现异步IO
  • NioEndpoint:利用了JAVA的NIO实现了非阻塞IO,Tomcat默认启动是以这个来启动的,而这个也是我们的讲述重点。

NioEndpoint中重要的组件

我们知道NioEndpoint的原理还是对于Linux的多路复用器的使用,而在多路复用器中简单来说就两个步骤。

  1. 创建一个Selector,在它身上注册各种Channel,然后调用select方法,等待通道中有感兴趣的事件发生。
  2. 如果有感兴趣的事情发生了,例如是读事件,那么就将信息从通道中读取出来。

NioEndpoint为了实现上面这两步,用了五个组件来。这五个组件是LimitLatchAcceptorPollerSocketProcessorExecutor

/**
 * Threads used to accept new connections and pass them to worker threads.
 */
protected List<Acceptor<U>> acceptors;

/**
 * counter for nr of connections handled by an endpoint
 */
private volatile LimitLatch connectionLimitLatch = null;
/**
 * The socket pollers. 
 */
private Poller[] pollers = null;

内部类

SocketProcessor

/**
 * External Executor based thread pool.
 */
private Executor executor = null;

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我们可以看到在代码中定义的这五个组件。具体这五个组件是干嘛的呢?

  • LimitLatch:连接控制器,负责控制最大的连接数
  • Acceptor:负责接收新的连接,然后返回一个Channel对象给Poller
  • Poller:可以将其看成是NIO中Selector,负责监控Channel的状态
  • SocketProcessor:可以看成是一个被封装的任务类
  • Executor:Tomcat自己扩展的线程池,用来执行任务类

用图简单表示就是以下的关系

接下来我们就来分别的看一下每个组件里面关键的代码

LimitLatch

我们上面说了LimitLatch主要是用来控制Tomcat所能接收的最大数量连接,如果超过了此连接,那么Tomcat就会将此连接线程阻塞等待,等里面有其他连接释放了再消费此连接。那么LimitLatch是如何做到呢?我们可以看LimitLatch这个类


public class LimitLatch {

    private static final Log log = LogFactory.getLog(LimitLatch.class);

    private class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 1L;

        public Sync() {
        }

        @Override
        protected int tryAcquireShared(int ignored) {
            long newCount = count.incrementAndGet();
            if (!released && newCount > limit) {
                // Limit exceeded
                count.decrementAndGet();
                return -1;
            } else {
                return 1;
            }
        }

        @Override
        protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
            count.decrementAndGet();
            return true;
        }
    }

    private final Sync sync;
    //当前连接数
    private final AtomicLong count;
    //最大连接数
    private volatile long limit;
    private volatile boolean released = false;
}

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我们可以看到它内部实现了AbstractQueuedSynchronizer,AQS其实就是一个框架,实现它的类可以自定义控制线程什么时候挂起什么时候释放。limit参数就是控制的最大连接数。我们可以看到AbstractEndpoint调用LimitLatchcountUpOrAwait方法来判断是否能获取连接。

    public void countUpOrAwait() throws InterruptedException {
        if (log.isDebugEnabled()) {
            log.debug("Counting up["+Thread.currentThread().getName()+"] latch="+getCount());
        }
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
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AQS是如何知道什么时候阻塞线程呢?即不能获取连接呢?这些就靠用户自己实现AbstractQueuedSynchronizer自己来定义什么时候获取连接,什么时候释放连接了。可以看到Sync类重写了tryAcquireSharedtryReleaseShared方法。在tryAcquireShared方法中定义了一旦当前连接数大于了设置的最大连接数,那么就会返回-1表示将此线程放入AQS队列中等待。

Acceptor

Acceptor是接收连接的,我们可以看到Acceptor实现了Runnable接口,那么在哪会新开启线程来执行Acceptor的run方法呢?在AbstractEndpointstartAcceptorThreads方法中。

protected void startAcceptorThreads() {
    int count = getAcceptorThreadCount();
    acceptors = new ArrayList<>(count);

    for (int i = 0; i < count; i++) {
        Acceptor<U> acceptor = new Acceptor<>(this);
        String threadName = getName() + "-Acceptor-" + i;
        acceptor.setThreadName(threadName);
        acceptors.add(acceptor);
        Thread t = new Thread(acceptor, threadName);
        t.setPriority(getAcceptorThreadPriority());
        t.setDaemon(getDaemon());
        t.start();
    }
}

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可以看到这里可以设置开启几个Acceptor,默认是一个。而一个端口只能对应一个ServerSocketChannel,那么这个ServerSocketChannel在哪初始化呢?我们可以看到在Acceptor<U> acceptor = new Acceptor<>(this);这句话中传入了this进去,那么应该是由Endpoint组件初始化的连接。在NioEndpointinitServerSocket方法中初始化了连接。

// Separated out to make it easier for folks that extend NioEndpoint to
// implement custom [server]sockets
protected void initServerSocket() throws Exception {
    if (!getUseInheritedChannel()) {
        serverSock = ServerSocketChannel.open();
        socketProperties.setProperties(serverSock.socket());
        InetSocketAddress addr = new InetSocketAddress(getAddress(), getPortWithOffset());
        serverSock.socket().bind(addr,getAcceptCount());
    } else {
        // Retrieve the channel provided by the OS
        Channel ic = System.inheritedChannel();
        if (ic instanceof ServerSocketChannel) {
            serverSock = (ServerSocketChannel) ic;
        }
        if (serverSock == null) {
            throw new IllegalArgumentException(sm.getString("endpoint.init.bind.inherited"));
        }
    }
    serverSock.configureBlocking(true); //mimic APR behavior
}

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这里面我们能够看到两点

  1. 在bind方法中的第二个参数表示操作系统的等待队列长度,即Tomcat不再接受连接时(达到了设置的最大连接数),但是在操作系统层面还是能够接受连接的,此时就将此连接信息放入等待队列,那么这个队列的大小就是此参数设置的。
  2. ServerSocketChannel被设置成了阻塞的模式,也就是说是以阻塞方式接受连接的。或许会有疑问。在平时的NIO编程中Channel不是都要设置成非阻塞模式吗?这里解释一下,如果是设置成非阻塞模式那么就必须设置一个Selector不断的轮询,但是接受连接只需要阻塞一个通道即可。

这里需要注意一点,每个Acceptor在生成PollerEvent对象放入Poller队列中时都是随机取出Poller对象的,具体代码可以看如下,所以Poller中的Queue对象设置成了SynchronizedQueue<PollerEvent>,因为可能有多个Acceptor同时向此Poller的队列中放入PollerEvent对象。

public Poller getPoller0() {
    if (pollerThreadCount == 1) {
        return pollers[0];
    } else {
        int idx = Math.abs(pollerRotater.incrementAndGet()) % pollers.length;
        return pollers[idx];
    }
}

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什么是操作系统级别的连接呢?在TCP的三次握手中,系统通常会每一个LISTEN状态的Socket维护两个队列,一个是半连接队列(SYN):这些连接已经收到客户端SYN;另一个是全连接队列(ACCEPT):这些链接已经收到客户端的ACK,完成了三次握手,等待被应用调用accept方法取走使用。

所有的Acceptor共用这一个连接,在Acceptorrun方法中,放一些重要的代码。

 @Override
    public void run() {
        // Loop until we receive a shutdown command
        while (endpoint.isRunning()) {
            try {
                //如果到了最大连接数,线程等待
                endpoint.countUpOrAwaitConnection();
                U socket = null;
                try {
                    //调用accept方法获得一个连接
                    socket = endpoint.serverSocketAccept();
                } catch (Exception ioe) {
                    // 出异常以后当前连接数减掉1
                    endpoint.countDownConnection();
                }
                // 配置Socket
                if (endpoint.isRunning() && !endpoint.isPaused()) {
                    // setSocketOptions() will hand the socket off to
                    // an appropriate processor if successful
                    if (!endpoint.setSocketOptions(socket)) {
                        endpoint.closeSocket(socket);
                    }
                } else {
                    endpoint.destroySocket(socket);
                }
    }

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里面我们可以得到两点

  1. 运行时会先判断是否到达了最大连接数,如果到达了那么就阻塞线程等待,里面调用的就是LimitLatch组件判断的。
  2. 最重要的就是配置socket这一步了,是endpoint.setSocketOptions(socket)这段代码
 protected boolean setSocketOptions(SocketChannel socket) {
        // Process the connection
        try {
            // 设置Socket为非阻塞模式,供Poller调用
            socket.configureBlocking(false);
            Socket sock = socket.socket();
            socketProperties.setProperties(sock);

            NioChannel channel = null;
            if (nioChannels != null) {
                channel = nioChannels.pop();
            }
            if (channel == null) {
                SocketBufferHandler bufhandler = new SocketBufferHandler(
                        socketProperties.getAppReadBufSize(),
                        socketProperties.getAppWriteBufSize(),
                        socketProperties.getDirectBuffer());
                if (isSSLEnabled()) {
                    channel = new SecureNioChannel(socket, bufhandler, selectorPool, this);
                } else {
                    channel = new NioChannel(socket, bufhandler);
                }
            } else {
                channel.setIOChannel(socket);
                channel.reset();
            }
            //注册ChannelEvent,其实是将ChannelEvent放入到队列中,然后Poller从队列中取
            getPoller0().register(channel);
        } catch (Throwable t) {
            ExceptionUtils.handleThrowable(t);
            try {
                log.error(sm.getString("endpoint.socketOptionsError"), t);
            } catch (Throwable tt) {
                ExceptionUtils.handleThrowable(tt);
            }
            // Tell to close the socket
            return false;
        }
        return true;
    }

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其实里面重要的就是将Acceptor与一个Poller绑定起来,然后两个组件通过队列通信,每个Poller都维护着一个SynchronizedQueue队列,ChannelEvent放入到队列中,然后Poller从队列中取出事件进行消费。

Poller

我们可以看到PollerNioEndpoint的内部类,而它也是实现了Runnable接口,可以看到在其类中维护了一个Quene和Selector,定义如下。所以本质上Poller就是Selector

private Selector selector;
private final SynchronizedQueue<PollerEvent> events = new SynchronizedQueue<>();
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重点在其run方法中,这里删减了一些代码,只展示重要的。

  @Override
        public void run() {
            // Loop until destroy() is called
            while (true) {
                boolean hasEvents = false;
                try {
                    if (!close) {
                        //查看是否有连接进来,如果有就将Channel注册进Selector中
                        hasEvents = events();
                    }
                    if (close) {
                        events();
                        timeout(0, false);
                        try {
                            selector.close();
                        } catch (IOException ioe) {
                            log.error(sm.getString("endpoint.nio.selectorCloseFail"), ioe);
                        }
                        break;
                    }
                } catch (Throwable x) {
                    ExceptionUtils.handleThrowable(x);
                    log.error(sm.getString("endpoint.nio.selectorLoopError"), x);
                    continue;
                }
                if (keyCount == 0) {
                    hasEvents = (hasEvents | events());
                }
                Iterator<SelectionKey> iterator =
                    keyCount > 0 ? selector.selectedKeys().iterator() : null;
                // Walk through the collection of ready keys and dispatch
                // any active event.
                while (iterator != null && iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey sk = iterator.next();
                    NioSocketWrapper socketWrapper = (NioSocketWrapper) sk.attachment();
                    // Attachment may be null if another thread has called
                    // cancelledKey()
                    if (socketWrapper == null) {
                        iterator.remove();
                    } else {
                        iterator.remove();
                        processKey(sk, socketWrapper);
                    }
                }

                // Process timeouts
                timeout(keyCount,hasEvents);
            }

            getStopLatch().countDown();
        }

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其中主要的就是调用了events()方法,就是不断的查看队列中是否有Pollerevent事件,如果有的话就将其取出然后把里面的Channel取出来注册到该Selector中,然后不断轮询所有注册过的Channel查看是否有事件发生。

SocketProcessor

我们知道Poller在轮询Channel有事件发生时,就会调用将此事件封装起来,然后交给线程池去执行。那么这个包装类就是SocketProcessor。而我们打开此类,能够看到它也实现了Runnable接口,用来定义线程池Executor中线程所执行的任务。那么这里是如何将Channel中的字节流转换为Tomcat需要的ServletRequest对象呢?其实就是调用了Http11Processor来进行字节流与对象的转换的。

Executor

Executor其实是Tomcat定制版的线程池。我们可以看它的类的定义,可以发现它其实是扩展了Java的线程池。

public interface Executor extends java.util.concurrent.Executor, Lifecycle

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在线程池中最重要的两个参数就是核心线程数和最大线程数,正常的Java线程池的执行流程是这样的。

  1. 如果当前线程小于核心线程数,那么来一个任务就创建一个线程。
  2. 如果当前线程大于核心线程数,那么就再来任务就将任务放入到任务队列中。所有线程抢任务。
  3. 如果队列满了,那么就开始创建临时线程。
  4. 如果总线程数到了最大的线程数并且队列也满了,那么就抛出异常。

但是在Tomcat自定义的线程池中是不一样的,通过重写了execute方法实现了自己的任务处理逻辑。

  1. 如果当前线程小于核心线程数,那么来一个任务就创建一个线程。
  2. 如果当前线程大于核心线程数,那么就再来任务就将任务放入到任务队列中。所有线程抢任务。
  3. 如果队列满了,那么就开始创建临时线程。
  4. 如果总线程数到了最大的线程数,再次获得任务队列,再尝试一次将任务加入队列中。
  5. 如果此时还是满的,就抛异常。

差别就在于第四步的差别,原生线程池的处理策略是只要当前线程数大于最大线程数,那么就抛异常,而Tomcat的则是如果当前线程数大于最大线程数,就再尝试一次,如果还是满的才会抛异常。下面是定制化线程池execute的执行逻辑。

public void execute(Runnable command, long timeout, TimeUnit unit) {
    submittedCount.incrementAndGet();
    try {
        super.execute(command);
    } catch (RejectedExecutionException rx) {
        if (super.getQueue() instanceof TaskQueue) {
            //获得任务队列
            final TaskQueue queue = (TaskQueue)super.getQueue();
            try {
                if (!queue.force(command, timeout, unit)) {
                    submittedCount.decrementAndGet();
                    throw new RejectedExecutionException(sm.getString("threadPoolExecutor.queueFull"));
                }
            } catch (InterruptedException x) {
                submittedCount.decrementAndGet();
                throw new RejectedExecutionException(x);
            }
        } else {
            submittedCount.decrementAndGet();
            throw rx;
        }

    }
}
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在代码中,我们可以看到有这么一句submittedCount.incrementAndGet();,为什么会有这句呢?我们可以看看这个参数的定义。简单来说这个参数就是定义了任务已经提交到了线程池中,但是还没有执行的任务个数。

/**
 * The number of tasks submitted but not yet finished. This includes tasks
 * in the queue and tasks that have been handed to a worker thread but the
 * latter did not start executing the task yet.
 * This number is always greater or equal to {@link #getActiveCount()}.
 */
private final AtomicInteger submittedCount = new AtomicInteger(0);

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为什么会有这么一个参数呢?我们知道定制的队列是继承了LinkedBlockingQueue,而LinkedBlockingQueue队列默认是没有边界的。于是我们就传入了一个参数,maxQueueSize给构造的队列。但是在Tomcat的任务队列默认情况下是无限制的,那么这样就会出一个问题,如果当前线程达到了核心线程数,则开始向队列中添加任务,那么就会一直是添加成功的。那么就不会再创建新的线程。那么在什么情况下要新建线程呢?

线程池中创建新线程会有两个地方,一个是小于核心线程时,来一个任务创建一个线程。另一个是超过核心线程并且任务队列已满,则会创建临时线程。

那么如何规定任务队列是否已满呢?如果设置了队列的最大长度当然好了,但是Tomcat默认情况下是没有设置,所以默认是无限的。所以Tomcat的TaskQueue继承了LinkedBlockingQueue,重写了offer方法,在里面定义了什么时候返回false。

@Override
public boolean offer(Runnable o) {
    if (parent==null) return super.offer(o);
    //如果当前线程数等于最大线程数,此时不能创建新线程,只能添加进任务队列中
    if (parent.getPoolSize() == parent.getMaximumPoolSize()) return super.offer(o);
    //如果已提交但是未完成的任务数小于等于当前线程数,说明能处理过来,就放入队列中
    if (parent.getSubmittedCount()<=(parent.getPoolSize())) return super.offer(o);
    //到这一步说明,已提交但是未完成的任务数大于当前线程数,如果当前线程数小于最大线程数,就返回false新建线程
    if (parent.getPoolSize()<parent.getMaximumPoolSize()) return false;
    return super.offer(o);
}

复制代码

这就是submittedCount的意义,目的就是为了在任务队列长度无限的情况下,让线程池有机会创建新的线程。

总结

上面的知识有部分是看着李号双老师的深入拆解Tomcat总结的,又结合着源码深入了解了一下,当时刚看文章的时候觉得自己都懂了,但是再深入源码的时候又会发现自己不懂。所以知识如果只是看了而不运用,那么知识永远都不会是自己的。通过Tomcat连接器这一小块的源码学习,除了一些常用知识的实际运用,例如AQS、锁的应用、自定义线程池需要考虑的点、NIO的应用等等。还有总体上的设计思维的学习,模块化设计,和如今的微服务感觉很相似,将一个功能点内部分为多种模块,这样无论是在以后替换或者是升级时都能游刃有余。

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