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。

  而 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;

  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;
    private final AtomicLong count;
    private volatile long limit;
    private volatile boolean released = false;
}

  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);
    }

  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 final void startAcceptorThreads() {
    int count = getAcceptorThreadCount();
    acceptors = new Acceptor[count];

    for (int i = 0; i < count; i++) {
        acceptors[i] = createAcceptor();
        String threadName = getName() + "-Acceptor-" + i;
        acceptors[i].setThreadName(threadName);
        Thread t = new Thread(acceptors[i], threadName);
        t.setPriority(getAcceptorThreadPriority());
        t.setDaemon(getDaemon());
        t.start();
    }
}

  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=newAcceptor<>(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。

  

  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

    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,

  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。

  具体代码可以看如下,

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

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。

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);
            }
        }
    }
}    

  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

  

  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<>();

  重点在其run方法中,这里删减了一些代码,只展示重要的。

  

  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

  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;
        }
    }
}

  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。

private final AtomicInteger submittedCount = new AtomicInteger(0);

  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。

  

  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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