从连接器组件看Tomcat的线程模型——BIO模式(推荐)

在高版本的Tomcat中，默认的模式都是使用NIO模式，在Tomcat 9中，BIO模式的实现Http11Protocol甚至都已经被删除了。但是了解BIO的工作机制以及其优缺点对学习其他模式有有帮助。只有对比后，你才能知道其他模式的优势在哪里。

Http11Protocol表示阻塞式的HTTP协议的通信，它包含从套接字连接接收、处理、响应客户端的整个过程。它主要包含JIoEndpoint组件和Http11Processor组件。启动时，JIoEndpoint组件将启动某个端口的监听，一个请求到来后将被扔进线程池，线程池进行任务处理，处理过程中将通过协议解析器Http11Processor组件对HTTP协议解析，并且通过适配器Adapter匹配到指定的容器进行处理以及响应客户端。

这里我们结合Spring Boot中内嵌的Tomcat来看看连接器的工作原理。建议使用低版本的Spring Boot，高版本的Spring Boot中，都已经使用Tomcat 9了。Tomcat 9已经删除了BIO的实现模式。这边我选择的Spring Boot版本是2.0.0.RELEASE。

要怎么看Connector组件的源代码

我们现在要开始通过Connector组件的源代码来分析连接器组件的工作过程。但是Tomcat的源代码这么多，我们到底要怎么看这个代码呢？之前的文章中总结了Tomcat的启动流程，如下图所示：

上面的时序图给我们分析Connector组件的源代码提供了思路：从连接器组件的init方法和start方法开始分析。

Connector组件工作时序图

Spring Boot中内嵌 的Tomcat默认使用的都是NIO模式，想要研究BIO模式还要自己折腾一番。Spring Boot中提供了WebServerFactoryCustomizer接口，我们可以实现这个接口来对Servlet容器工厂进行自定义配置。下面是我自己实现的一个配置类，只是简单地将IO模型设置成了BIO模式，假如你还需要进行其他配置也可以在里面进行额外配置。

@Configuration
public class TomcatConfig {

  @Bean
  public WebServerFactoryCustomizer tomcatCustomer() {
    return new TomcatCustomerConfig();
  }

  public class TomcatCustomerConfig implements WebServerFactoryCustomizer<TomcatServletWebServerFactory> {
    @Override
    public void customize(TomcatServletWebServerFactory factory) {
      if (factory != null) {
        factory.setProtocol("org.apache.coyote.http11.Http11Protocol");
      }
    }
  }
}

经过上面的配置后，Tomcat的连接器组件就会以BIO的模式处理请求。

由于Tomcat整理的代码非常多，想要在一篇文章中分析所有的代码是不太现实的。这边，我梳理了连接器组件工作的时序图，根据这个时序图，我分析了几个关键的代码点，其他细节大家可以根据我的时序图自己看代码，这块代码也不是很复杂。

这边的重点代码是在JIoEndpoint的init()方法和start()方法。JIoEndpoint的init()方法主要是做了ServerSocket的端口绑定。具体代码如下：

@Override
public void bind() throws Exception {

  // Initialize thread count defaults for acceptor
  if (acceptorThreadCount == 0) {
    acceptorThreadCount = 1;
  }
  // Initialize maxConnections
  if (getMaxConnections() == 0) {
    // User hasn't set a value - use the default
    setMaxConnections(getMaxThreadsWithExecutor());
  }

  if (serverSocketFactory == null) {
    if (isSSLEnabled()) {
      serverSocketFactory =
        handler.getSslImplementation().getServerSocketFactory(this);
    } else {
      serverSocketFactory = new DefaultServerSocketFactory(this);
    }
  }
  //这边做了ServerSocket的端口绑定
  if (serverSocket == null) {
    try {
      if (getAddress() == null) {
        //没指定具体地址，Tomcat会监听所有地址过来的请求
        serverSocket = serverSocketFactory.createSocket(getPort(),
                                getBacklog());
      } else {
        //指定了具体地址，Tomcat只监听这个地址过来的请求
        serverSocket = serverSocketFactory.createSocket(getPort(),
                                getBacklog(), getAddress());
      }
    } catch (BindException orig) {
      String msg;
      if (getAddress() == null)
        msg = orig.getMessage() + " <null>:" + getPort();
      else
        msg = orig.getMessage() + " " +
        getAddress().toString() + ":" + getPort();
      BindException be = new BindException(msg);
      be.initCause(orig);
      throw be;
    }
  }

}

再来看JIoEndpoint的start方法。

public void startInternal() throws Exception {

  if (!running) {
    running = true;
    paused = false;

    //创建线程池
    if (getExecutor() == null) {
      createExecutor();
    }
    //创建ConnectionLatch
    initializeConnectionLatch();
    //创建accept线程，这个线程是请求处理的初始线程
    startAcceptorThreads();
    // Start async timeout thread
    Thread timeoutThread = new Thread(new AsyncTimeout(),
                     getName() + "-AsyncTimeout");
    timeoutThread.setPriority(threadPriority);
    timeoutThread.setDaemon(true);
    timeoutThread.start();
  }
}

上面的代码中，需要我们重点关注的就是startAcceptorThreads()方法。我们看下这个Accept线程的具体实现。

protected final void startAcceptorThreads() {
  int count = getAcceptorThreadCount();
  acceptors = new Acceptor[count];
  //根据配置，设置一定数量的accept线程
  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();
  }
}

Acceptor线程的具体处理实现，重点看run方法。

protected class Acceptor extends AbstractEndpoint.Acceptor {

    @Override
    public void run() {

      int errorDelay = 0;
      // Loop until we receive a shutdown command
      while (running) {
        // Loop if endpoint is paused
        while (paused && running) {
          state = AcceptorState.PAUSED;
          try {
            Thread.sleep(50);
          } catch (InterruptedException e) {
            // Ignore
          }
        }

        if (!running) {
          break;
        }
        state = AcceptorState.RUNNING;

        try {
          //if we have reached max connections, wait
          //达到连接上限，acceptor线程进入等待状态，直到其他线程释放,这是一种简单的通过连接数量进行流量控制的手段
          //通过实现AQS组件实现（LimitLatch），思路是先初始化同步器的最大限制值，然后每接收一个套接字就将计数变量累加1，每关闭一个套接字将计数变量减1
          countUpOrAwaitConnection();
          Socket socket = null;
          try {
            //accept下个socket连接，如果一直没有连接过来这个方法阻塞
            socket = serverSocketFactory.acceptSocket(serverSocket);
          } catch (IOException ioe) {
            //有异常的话释放一个连接数
            countDownConnection();
            errorDelay = handleExceptionWithDelay(errorDelay);
            throw ioe;
          }
          // Successful accept, reset the error delay
          errorDelay = 0;
          //对socket进行适当配置
          if (running && !paused && setSocketOptions(socket)) {
            // 处理这个socket请求，这边也是重点。
            if (!processSocket(socket)) {
              countDownConnection();
              // Close socket right away
              closeSocket(socket);
            }
          } else {
            countDownConnection();
            // Close socket right away
            closeSocket(socket);
          }
        } catch (IOException x) {
          if (running) {
            log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), x);
          }
        } catch (NullPointerException npe) {
          if (running) {
            log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), npe);
          }
        } catch (Throwable t) {
          ExceptionUtils.handleThrowable(t);
          log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), t);
        }
      }
      state = AcceptorState.ENDED;
    }
  }

上面线程处理类中的processSocket(socket)是处理具体请求的方法，这个方法将请求进行了包装然后“扔进”了线程池进行处理。但是这个不是连接器组件的重点，后面会在介绍请求流转时介绍Tomcat怎么处理请求的。

到这边，对Tomcat的BIO模式做了个简单的介绍。其实大家可以看出来，如果对BIO模式进行简化的话就是对传统的ServerSocket的操作，还有就是对请求的处理加上了线程池优化。

BIO模式总结

关于上图中的各个组件做下简要说明。

限流组件LimitLatch

LimitLatch组件是一个流量控制组件，目的是为了不让Tomcat组件被大流量冲垮。LimitLatch通过AQS机制实现，这个组件启动时先初始化同步器的最大限制值，然后每接收一个套接字就将计数变量累加1，每关闭一个套接字将计数变量减1。当连接数达到最大值时，Acceptor线程就进入等待状态，不再accept新的socket连接。

需要额外说明的是，当到达最大连接数时（已经LimitLatch组件最大值，acceptor组件阻塞了），操作系统底层还是会继续接收客户端连接，并将请求放入一个队列中（backlog队列）。这个队列是有一个默认长度的，默认值是100。当然，这个值可以通过server.xml的Connector节点的acceptCount属性配置。假如在短时间内，有大量请求过来，连backlog队列都放满了，那么操作系统将拒绝接收后续的连接，返回“connection refused”。

在BIO模式中，LimitLatch组件支持的最大连接数是通过server.xml的Connector节点的maxConnections属性设置的，如果设置成-1，则表示不限制。

接收器组件Acceptor

这个组件的职责非常简单，就是接收Socket连接，对Socket做相应的设置，然后直接丢给线程池处理。accept线程的数量也可以进行配置。

套接字工厂ServerSocketFactory

Acceptor线程在具体accept socket连接时是通过ServerSocketFactory组件获取的。Tomcat中有两个ServerSocketFactory的实现：DefaultServerSocketFactory和JSSESocketFactory。分别对应HTTP和HTTPS的情况。

Tomcat中存在一个变量SSLEnabled用于标识是否使用加密通道，通过对此变量的定义就可以决定使用哪个工厂类，Tomcat提供了外部配置文件供用户自定义。下面的配置中SSLEnabled="true"表示使用加密方式，也就是使用JSSESocketFactory来accept具体的socket连接。

<Connector port="8443" protocol="org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol"
      maxThreads="150" SSLEnabled="true">
  <SSLHostConfig>
    <Certificate certificateKeystoreFile="conf/localhost-rsa.jks"
           type="RSA" />
  </SSLHostConfig>
</Connector>

线程池组件

Tomcat中的线程池是对JDK中线程池的简单改装。在线程创建策略上有点区别：Tomcat中的线程池在线程数大于coreSize后不会立马将线程提交到队列中，而是先判断活动线程数是否已经达到maxSize，只有达到maxSize后才会将线程提交到队列中。

Connector组件的Executor分为两种类型：共享Executor和私有Executor。共享Executor的话是指在Service组件中定义的Executor。

任务定义器SocketProcessor

在将Socket扔进线程池之前我们需要定义任务怎么处理这个Socket。SocketProcessor就是这个任务定义，这个类实现了Runnable接口。

protected class SocketProcessor implements Runnable {
  //进行Debug调试的时候可以从这个类的run方法开始调试
	@Override
  public void run() {
  	//对套接字进行处理并输出响应
    //对连接限流器LimitLatch减一
    //关闭套接字
  }
}

SocketProcessor的任务主要分为三个：处理套接字并响应客户端，连接数计数器减1，关闭套接字。其中对套接字的处理是最重要也是最复杂的，它包括对底层套接字字节流的读取， HTTP协议请求报文的解析（请求行、请求头部、请求体等信息的解析），根据请求行解析得到的路径去寻找相应虚拟主机上的Web项目资源，根据处理的结果组装好HTTP协议响应报文输出到客户端。

这边暂时先不分析对套接字的具体处理流程，因为这边文章主要还是将连接器的线程模型，涉及的东西太多容易搞混，关于Tomcat对socket的具体处理后面会写文章分析。

总结

到此这篇关于从连接器组件看Tomcat的线程模型——BIO模式的文章就介绍到这了,更多相关Tomcat线程模型内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！