深度解读 Tomcat 中的 NIO 模型

来源：互联网发布：多功能助手软件编辑：程序博客网时间：2024/06/16 09:31

TOMCA简介

整个tomcat是一个比较完善的框架体系，各个组件之间都是基于接口的实现，所以比较方便扩展和替换。像这里的“org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol”和BIO的“org.apache.coyote.http11.Http11Protocol”都是统一的实现org.apache.coyote.ProtocolHandler接口，所以从整体结构上来说，NIO还是与BIO的实现保持大体一致。
首先来看一下NIO connector的内部结构，箭头方向还是消息流；

还是可以看见connector中三大块

Http11NioProtocol
Mapper
CoyoteAdapter

重点看看Http11NioProtocol.
和JIoEndpoint一样，NioEndpoint是Http11NioProtocol中负责接收处理socket的主要模块。但是在结构上比JIoEndpoint要复杂一些，毕竟是非阻塞的。但是需要注意的是，tomcat的NIO connector并非完全是非阻塞的，有的部分，例如接收socket，从socket中读写数据等，还是阻塞模式实现的，在后面会逐一介绍。
如图所示，NioEndpoint的主要流程；

图中Acceptor及Worker分别是以线程池形式存在，Poller是一个单线程。注意，与BIO的实现一样，缺省状态下，在server.xml中没有配置<Executor>，则以Worker线程池运行，如果配置了<Executor>，则以基于java concurrent 系列的java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor线程池运行。

Acceptor
接收socket线程，这里虽然是基于NIO的connector，但是在接收socket方面还是传统的serverSocket.accept()方式，获得SocketChannel对象，然后封装在一个tomcat的实现类org.apache.tomcat.util.net.NioChannel对象中。然后将NioChannel对象封装在一个PollerEvent对象中，并将PollerEvent对象压入events queue里。这里是个典型的生产者-消费者模式，Acceptor与Poller线程之间通过queue通信，Acceptor是events queue的生产者，Poller是events queue的消费者。

Poller
Poller线程中维护了一个Selector对象，NIO就是基于Selector来完成逻辑的。在connector中并不止一个Selector，在socket的读写数据时，为了控制timeout也有一个Selector，在后面的BlockSelector中介绍。可以先把Poller线程中维护的这个Selector标为主Selector。
Poller是NIO实现的主要线程。首先作为events queue的消费者，从queue中取出PollerEvent对象，然后将此对象中的channel以OP_READ事件注册到主Selector中，然后主Selector执行select操作，遍历出可以读数据的socket，并从Worker线程池中拿到可用的Worker线程，然后将socket传递给Worker。整个过程是典型的NIO实现。

Worker
Worker线程拿到Poller传过来的socket后，将socket封装在SocketProcessor对象中。然后从Http11ConnectionHandler中取出Http11NioProcessor对象，从Http11NioProcessor中调用CoyoteAdapter的逻辑，跟BIO实现一样。在Worker线程中，会完成从socket中读取http request，解析成HttpServletRequest对象，分派到相应的servlet并完成逻辑，然后将response通过socket发回client。在从socket中读数据和往socket中写数据的过程，并没有像典型的非阻塞的NIO的那样，注册OP_READ或OP_WRITE事件到主Selector，而是直接通过socket完成读写，这时是阻塞完成的，但是在timeout控制上，使用了NIO的Selector机制，但是这个Selector并不是Poller线程维护的主Selector，而是BlockPoller线程中维护的Selector，称之为辅Selector。

NioSelectorPool
NioEndpoint对象中维护了一个NioSelecPool对象，这个NioSelectorPool中又维护了一个BlockPoller线程，这个线程就是基于辅Selector进行NIO的逻辑。以执行servlet后，得到response，往socket中写数据为例，最终写的过程调用NioBlockingSelector的write方法。

NIO模型

I/O复用模型，是同步非阻塞，这里的非阻塞是指I/O读写，对应的是recvfrom操作，因为数据报文已经准备好，无需阻塞。

I/O复用模型解读

Tomcat的NIO是基于I/O复用来实现的。对这点一定要清楚，不然我们的讨论就不在一个逻辑线上。下面这张图学习过I/O模型知识的一般都见过，出自《UNIX网络编程》，I/O模型一共有阻塞式I/O，非阻塞式I/O，I/O复用(select/poll/epoll)，信号驱动式I/O和异步I/O。这篇文章讲的是I/O复用。

IO复用

这里先来说下用户态和内核态，直白来讲，如果线程执行的是用户代码，当前线程处在用户态，如果线程执行的是内核里面的代码，当前线程处在内核态。更深层来讲，操作系统为代码所处的特权级别分了4个级别。

不过现代操作系统只用到了0和3两个级别。0和3的切换就是用户态和内核态的切换。更详细的可参照《深入理解计算机操作系统》。I/O复用模型，是同步非阻塞，这里的非阻塞是指I/O读写，对应的是recvfrom操作，因为数据报文已经准备好，无需阻塞。

说它是同步，是因为，这个执行是在一个线程里面执行的。有时候，还会说它又是阻塞的，实际上是指阻塞在select上面，必须等到读就绪、写就绪等网络事件。有时候我们又说I/O复用是多路复用，这里的多路是指N个连接，每一个连接对应一个channel，或者说多路就是多个channel。

复用，是指多个连接复用了一个线程或者少量线程(在Tomcat中是Math.min(2,Runtime.getRuntime().availableProcessors()))。

上面提到的网络事件有连接就绪，接收就绪，读就绪，写就绪四个网络事件。I/O复用主要是通过Selector复用器来实现的，可以结合下面这个图理解上面的叙述。

Selector图解.png

TOMCAT对IO模型的支持

tomcat支持IO类型图

tomcat从6以后开始支持NIO模型，实现是基于JDK的java.nio包。这里可以看到对read body 和response body是Blocking的。关于这点在第6.3节源代码阅读有重点介绍。

TOMCAT中NIO的配置与使用

在Connector节点配置protocol="org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol"，Http11NioProtocol协议下默认最大连接数是10000，也可以重新修改maxConnections的值，同时我们可以设置最大线程数maxThreads，这里设置的最大线程数就是Excutor的线程池的大小。

在BIO模式下实际上是没有maxConnections，即使配置也不会生效，BIO模式下的maxConnections是保持跟maxThreads大小一致，因为它是一请求一线程模式。

NioEndpoint组件关系图解读

tomcatnio组成

我们要理解tomcat的nio最主要就是对NioEndpoint的理解。它一共包含LimitLatch、Acceptor、Poller、SocketProcessor、Excutor5个部分。

LimitLatch是连接控制器，它负责维护连接数的计算，nio模式下默认是10000，达到这个阈值后，就会拒绝连接请求。Acceptor负责接收连接，默认是1个线程来执行，将请求的事件注册到事件列表。

有Poller来负责轮询，Poller线程数量是cpu的核数Math.min(2,Runtime.getRuntime().availableProcessors())。由Poller将就绪的事件生成SocketProcessor同时交给Excutor去执行。Excutor线程池的大小就是我们在Connector节点配置的maxThreads的值。

在Excutor的线程中，会完成从socket中读取http request，解析成HttpServletRequest对象，分派到相应的servlet并完成逻辑，然后将response通过socket发回client。

在从socket中读数据和往socket中写数据的过程，并没有像典型的非阻塞的NIO的那样，注册OP_READ或OP_WRITE事件到主Selector，而是直接通过socket完成读写，这时是阻塞完成的，但是在timeout控制上，使用了NIO的Selector机制，但是这个Selector并不是Poller线程维护的主Selector，而是BlockPoller线程中维护的Selector，称之为辅Selector。详细源代码可以参照第6.3节。

NioEndpoint执行序列图

tomcatnio序列图.png

在下一小节NioEndpoint源码解读中我们将对步骤1-步骤11依次找到对应的代码来说明。

NioEndpoint源码解读

初始化

无论是BIO还是NIO，开始都会初始化连接限制，不可能无限增大，NIO模式下默认是10000。

步骤解读

下面我们着重叙述跟NIO相关的流程，共分为11个步骤，分别对应上面序列图中的步骤。

步骤1：绑定IP地址及端口，将ServerSocketChannel设置为阻塞。

这里为什么要设置成阻塞呢，我们一直都在说非阻塞。Tomcat的设计初衷主要是为了操作方便。这样这里就跟BIO模式下一样了。只不过在BIO下这里返回的是

Socket，NIO下这里返回的是SocketChannel。

步骤2：启动接收线程

步骤3：ServerSocketChannel.accept()接收新连接

步骤4：将接收到的链接通道设置为非阻塞
步骤5：构造NioChannel对象
步骤6：register注册到轮询线程

步骤7：构造PollerEvent，并添加到事件队列

步骤8：启动轮询线程

步骤9：取出队列中新增的PollerEvent并注册到Selector

步骤10：Selector.select()

步骤11：根据选择的SelectionKey构造SocketProcessor提交到请求处理线程

NioBlockingSelector和BlockPoller介绍

上面的序列图有个地方我没有描述，就是NioSelectorPool这个内部类，是因为在整体理解tomcat的nio上面在序列图里面不包括它更好理解。

在有了上面的基础后，我们在来说下NioSelectorPool这个类，对更深层了解Tomcat的NIO一定要知道它的作用。NioEndpoint对象中维护了一个NioSelecPool对象，这个NioSelectorPool中又维护了一个BlockPoller线程，这个线程就是基于辅Selector进行NIO的逻辑。

以执行servlet后，得到response，往socket中写数据为例，最终写的过程调用NioBlockingSelector的write方法。代码如下：

也就是说当socket.write()返回0时，说明网络状态不稳定，这时将socket注册OP_WRITE事件到辅Selector，由BlockPoller线程不断轮询这个辅Selector，直到发现这个socket的写状态恢复了，通过那个倒数计数器，通知Worker线程继续写socket动作。看一下BlockSelector线程的代码逻辑：

使用这个辅Selector主要是减少线程间的切换，同时还可减轻主Selector的负担。

关于性能

下面这份报告是我们压测的一个结果，跟想象的是不是不太一样？几乎没有差别，实际上NIO优化的是I/O的读写，如果瓶颈不在这里的话，比如传输字节数很小的情况下，BIO和NIO实际上是没有差别的。

NIO的优势更在于用少量的线程hold住大量的连接。还有一点，我们在压测的过程中，遇到在NIO模式下刚开始的一小段时间内容，会有错误，这是因为一般的压测工具是基于一种长连接，也就是说比如模拟1000并发，那么同时建立1000个连接，下一时刻再发送请求就是基于先前的这1000个连接来发送，还有TOMCAT的NIO处理是有POLLER线程来接管的，它的线程数一般等于CPU的核数，如果一瞬间有大量并发过来，POLLER也会顿时处理不过来。