NIO 在Tomcat中的应用
2019/11/09 13:31:27 来源:juejin.im 作者:柯三

对NIO的理解

个人单方面认为,NIO与BIO的最大区别在于主动和被动,使用BIO的方式需要等待被调用方返回数据,很明显此时调用者是被动的。

举个例子

阻塞IO
假设你是一个胆小又害羞的男孩子,你约了隔壁测试的妹子,但你并不敢主动约会,所以你把自己的手机号码给她,并暗示她想要约会的时候打电话给你。很明显此时你陷入了被动,约不约会的结果需要妹子主动告知你,如果她忘了,那么你要陷入长时间的等待中以及无尽的猜测和自我怀疑中(太惨了)。[如果你是一个胆小害羞又好色的男孩子,那就惨了]

非阻塞IO 我们知道,渣男通常有很多的备胎,我管这个叫做备胎池(SpareTirePool), 那么当他想要约会的时候,只要群发问妹子要不要约会,如果要约会的话就和妹子约会,约会结束之后,处理其他约会事件,如果没有继续下一次询问。在这个例子中约会可以视为IO事件,问妹子的过程可以视为备胎池的轮询。

Tomcat 如何使用NIO

既然是网络通信的I/O那必然有以下两个步骤

关键代码在 package org.apache.tomcat.util.net.NioEndpoint 中

P.S. 文章太长,如果不想看可以直接阅读结论

ServerSocket的启动

在最开始看代码,是震惊的,真的,如果你看Reactor模型的话

以下bind方法代码是启动ServerSocket的流程,主要流程如下

    @Override
    public void bind() throws Exception {

        if (!getUseInheritedChannel()) {
            serverSock = ServerSocketChannel.open();
            socketProperties.setProperties(serverSock.socket());
            InetSocketAddress addr = (getAddress()!=null?new InetSocketAddress(getAddress(),getPort()):new InetSocketAddress(getPort()));
            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"));
            }
        }
        // 以阻塞的方式来接收连接!!
        serverSock.configureBlocking(true); //mimic APR behavior

        // 设置Acceptor和Poller的数量
        if (acceptorThreadCount == 0) {
            // FIXME: Doesn't seem to work that well with multiple accept threads
            // 顾名思义,Acceptor是用来处理新连接的
            acceptorThreadCount = 1;
        }
        if (pollerThreadCount <= 0) {
            // Poller 用来处理I/O事件
            pollerThreadCount = 1;
        }
        setStopLatch(new CountDownLatch(pollerThreadCount));

        // Initialize SSL if needed
        initialiseSsl();
        // 从此处可以看出tomcat池化了selector
        selectorPool.open();
    }

Tomcat NIO 如何处理I/O事件

先说结论,Tomcat NIO模型中有以下关键角色

Acceptor

Acceptor的主要工作就是不断接收来自客户端的连接,在简单处理之后将该连接交给Poller处理

接收来自客户端连接, 如果你不想看代码,以下是其主要流程

      @Override
        public void run() {

            int errorDelay = 0;

            // running的检测贯穿了Accpetor的处理流程,在每次关键操作的时候都会执行检测
            while (running) {

                // 如果进入暂停状态则每隔一段时间检测一下
                while (paused && running) {
                    state = AcceptorState.PAUSED;
                    try {
                        Thread.sleep(50);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // Ignore
                    }
                }
                // 再次检测
                if (!running) {
                    break;
                }
                state = AcceptorState.RUNNING;

                try {
                    //检查是否达到最大连接数如果是则陷入等待,如果不是则增加当前连接数
                    countUpOrAwaitConnection();

                    SocketChannel socket = null;
                    try {
                        //接收新连接
                        socket = serverSock.accept();
                    } catch (IOException ioe) {
                        // 发生异常,则减少连接数
                        countDownConnection();
                        if (running) {
                         handleExceptionWithDelay(errorDelay);
                            // re-throw
                            throw ioe;
                        } else {
                            break;
                        }
                    }
                    // Successful accept, reset the error delay
                    errorDelay = 0;

                    // Configure the socket
                    if (running && !paused) {
                        //setSocketOptions会导致将该连接交给Poller处理
                        if (!setSocketOptions(socket)) {
                            closeSocket(socket);
                        }
                    } else {
                        closeSocket(socket);
                    }
                } catch (Throwable t) {
                    ExceptionUtils.handleThrowable(t);
                    log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), t);
                }
            }
            state = AcceptorState.ENDED;
        }

再来看看setSocketOptions做了什么,不想看代码的话,总结如下

  protected boolean setSocketOptions(SocketChannel socket) {
        // Process the connection
        try {
            //设置为非阻塞模式,以便通过selector进行查询
            socket.configureBlocking(false);
            Socket sock = socket.socket();
            socketProperties.setProperties(sock);
            //从对象池中获取一个NioChannel,tomcat会复用一切可以复用的对象以减少创建新对象所带来的消耗
            NioChannel channel = nioChannels.pop();
            if (channel == null) {
               // 没有获取到,那就新建一个呗
                SocketBufferHandler bufhandler = new SocketBufferHandler(
                        socketProperties.getAppReadBufSize(),
                        socketProperties.getAppWriteBufSize(),
                        socketProperties.getDirectBuffer());
                // SSL这一块还没研究
                if (isSSLEnabled()) {
                    channel = new SecureNioChannel(socket, bufhandler, selectorPool, this);
                } else {
                    channel = new NioChannel(socket, bufhandler);
                }
            } else {
                channel.setIOChannel(socket);
                //重新设置SocketBufferHandler,将其设置为可写和可读
                channel.reset();
            }
            //从Poller池中获取一个Poller(按照次序获取,可以理解为一个圆环),并将Channel注册到上面
            getPoller0().register(channel);
        } catch (Throwable t) {
            ExceptionUtils.handleThrowable(t);
            try {
                log.error("",t);
            } catch (Throwable tt) {
                ExceptionUtils.handleThrowable(tt);
            }
            // Tell to close the socket
            return false;
        }
        return true;
    }

Poller

从连接注册到Poller说起

不加锁的获取一个Poller

具体说明见代码

关键点:对一个数A取余会将余数的结果限制在A的范围内

    /**
     * Return an available poller in true round robin fashion.
     * 很明显,取余的方式揭示了获取Poller的方法。你可以理解为
     * Poller会组成一个圆环,这样我们就可以通过不断递增获取
     * 下一个Poller,但是数据会溢出所以我们要取绝对值
     * @return The next poller in sequence
     */
    public Poller getPoller0() {
        int idx = Math.abs(pollerRotater.incrementAndGet()) % pollers.length;
        return pollers[idx];
    }

channel的注册

该方法会对新的建的连接进行封装,并以PollerEvent的形式注册到相应的Poller中

需要注意的是,真正的注册读事件并不是在此方法注册的(当前方法调用者为Acceptor线程),而是在Poller线程中注册读事件的

        /**
         * Registers a newly created socket with the poller.
         * 将新建的socket注册到Poller上
         * @param socket    The newly created socket
         */
        public void register(final NioChannel socket) {
            //以下代码为设置各种参数,可以从方法名进行推测,不再进行叙述
            socket.setPoller(this);
            NioSocketWrapper ka = new NioSocketWrapper(socket, NioEndpoint.this);
            socket.setSocketWrapper(ka);
            ka.setPoller(this);
            ka.setReadTimeout(getSocketProperties().getSoTimeout());
            ka.setWriteTimeout(getSocketProperties().getSoTimeout());
            ka.setKeepAliveLeft(NioEndpoint.this.getMaxKeepAliveRequests());
            ka.setSecure(isSSLEnabled());
            ka.setReadTimeout(getConnectionTimeout());
            ka.setWriteTimeout(getConnectionTimeout());
            //从缓存中获取一个PollerEvent
            PollerEvent r = eventCache.pop();
            // 注册读事件
            ka.interestOps(SelectionKey.OP_READ);//this is what OP_REGISTER turns into.
            // 如果没有从缓存中获取,那么就新建一个
            if ( r==null) r = new PollerEvent(socket,ka,OP_REGISTER);
            else r.reset(socket,ka,OP_REGISTER);
            addEvent(r);
        }

Poller处理I/O 事件

Poller 处理I/O事件的的代码较长,而且细节也较多,总结其主要作用如下

        @Override
        public void run() {
            // Loop until destroy() is called
            // 一直循环直到destroy方法被调用
            while (true) {

                boolean hasEvents = false;

                try {
                    if (!close) {
                        // events 方法会处理Acceptor注册到Poller中的PollerEvent
                        // 主要是注册读事件
                        hasEvents = events();
                        if (wakeupCounter.getAndSet(-1) > 0) {
                            //if we are here, means we have other stuff to do
                            //do a non blocking select
                            keyCount = selector.selectNow();
                        } else {
                            keyCount = selector.select(selectorTimeout);
                        }
                        wakeupCounter.set(0);
                    }
                    // 检测到关闭,则处理剩余的事件并关闭selector
                    if (close) {
                        // 处理Acceptors注册到Poller中的PollerEvent
                        events();
                        //selector time out 或者poller被关闭就会调用timeout方法
                        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("",x);
                    continue;
                }
                //either we timed out or we woke up, process events first
                if ( keyCount == 0 ) hasEvents = (hasEvents | events());
                // 执行 select 操作,查询I/O事件
                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 attachment = (NioSocketWrapper)sk.attachment();
                    // Attachment may be null if another thread has called
                    // cancelledKey()
                    if (attachment == null) {
                        iterator.remove();
                    } else {
                        iterator.remove();
                        // 处理检测到的I/O事件
                        processKey(sk, attachment);
                    }
                }//while

                //timeout 会检查是否关闭,如果已经关闭并且有事件未处理会调用cancelledKey方法
                //cancelledKey:该方法主要是对和该连接相关的资源执行关闭操作
                timeout(keyCount,hasEvents);
            }//while

            getStopLatch().countDown();
        }

processKey 处理I/O事件

processKey主要工作如下

        protected void processKey(SelectionKey sk, NioSocketWrapper attachment) {
            try {
                if ( close ) {
                    // 如果Poller关闭则关闭和释放和此连接相关的资源
                    cancelledKey(sk);
                } else if ( sk.isValid() && attachment != null ) {
                    if (sk.isReadable() || sk.isWritable() ) {
                        if ( attachment.getSendfileData() != null ) {
                            processSendfile(sk,attachment, false);
                        } else {
                            // 取消注册事件
                            // sk.interestOps()& (~readyOps)
                            unreg(sk, attachment, sk.readyOps());
                            boolean closeSocket = false;
                            // Read goes before write 先读后写
                            if (sk.isReadable()) {
                               // 关键代码,调用processSocket方法处理读事件
                                if (!processSocket(attachment, SocketEvent.OPEN_READ, true)) {
                                    closeSocket = true;
                                }
                            }
                            if (!closeSocket && sk.isWritable()) {
                                if (!processSocket(attachment, SocketEvent.OPEN_WRITE, true)) {
                                    closeSocket = true;
                                }
                            }
                            if (closeSocket) {
                                cancelledKey(sk);
                            }
                        }
                    }
                } else {
                    //invalid key
                    cancelledKey(sk);
                }
            } catch ( CancelledKeyException ckx ) {
                cancelledKey(sk);
            } catch (Throwable t) {
                ExceptionUtils.handleThrowable(t);
                log.error("",t);
            }
        }

processSocket 真-处理I/O事件

processSocket定义在org.apache.tomcat.util.net.AbstractEndPoint中, 也就是意味着无论你采用的是BIO还是NIO或者NIO2最终读写数据都是调用此方法

从代码中可以看出,依然是对象池,依然是再次封装(套娃),并将其提交到线程池中执行,接下来的内容就不再本次讨论范围内呢。

    public boolean processSocket(SocketWrapperBase<S> socketWrapper,
            SocketEvent event, boolean dispatch) {
        try {
            if (socketWrapper == null) {
                return false;
            }
            SocketProcessorBase<S> sc = processorCache.pop();
            if (sc == null) {
                sc = createSocketProcessor(socketWrapper, event);
            } else {
                sc.reset(socketWrapper, event);
            }
            Executor executor = getExecutor();
            if (dispatch && executor != null) {
                executor.execute(sc);
            } else {
                sc.run();
            }
        } catch (RejectedExecutionException ree) {
            getLog().warn(sm.getString("endpoint.executor.fail", socketWrapper) , ree);
            return false;
        } catch (Throwable t) {
            ExceptionUtils.handleThrowable(t);
            // This means we got an OOM or similar creating a thread, or that
            // the pool and its queue are full
            getLog().error(sm.getString("endpoint.process.fail"), t);
            return false;
        }
        return true;
    }

总结

Tomcat的NIO模型

手抖了,线不怎么♂

LimitLatch 为所有的Acceptor共用,用来限制当前的最大连接数

Acceptor 以阻塞的形式来接收新连接,并将其封装成PollerEvent对象提交到Poller中

Poller 接收来自Acceptor的PollerEvent并注册读事件,以及轮询和其绑定的客户端Socket有无读事件,如果有则执行进一步操作,将其提交到其他地方执行处理(解析Http协议)

思想迁移

学习源码就是为了学习其设计思想. -- 沃兹及.硕德

对象池化 池化对象、池化连接可以大大降低新建对象以及GC所带来的消耗,当需要使用从池中取出来重新设置相关值即可

环形队列 虽然这玩意不新鲜,但配合上原子类,就可以在高并发的情况,高效的获取队列中的下一个元素(环形队列中索引溢出的处理在之前我是没有考虑到的)

阻塞获取链接,非阻塞处理IO事件 与Reactor模型形成强烈的对比,学习NIO的时候思维被限制住了,认为非阻塞的获取连接会获得更高的性能,但现在情况不一定了(还没测试,哪位老哥试了告诉我一下)

关键操作时,对标志位进行检测 如果你要通过一个标志变量来控制你的线程,且线程循环一次需要相对较长的时间(你代码太长,操作太多)那么最好在执行关键操作之前对你的标志变量进行检查,来决定是否要改变线程的行为(康康poller和Acceptor的代码)

初次学习Tomcat的代码,有理解错误的地方还请大佬指出


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