详解Tomcat是如何实现异步Servlet的

前言

通过我之前的Tomcat系列文章，相信看我博客的同学对Tomcat应该有一个比较清晰的了解了，在前几篇博客我们讨论了Tomcat在SpringBoot框架中是如何启动的，讨论了Tomcat的内部组件是如何设计以及请求是如何流转的，那么我们这边博客聊聊Tomcat的异步Servlet，Tomcat是如何实现异步Servlet的以及异步Servlet的使用场景。

手撸一个异步的Servlet

我们直接借助SpringBoot框架来实现一个Servlet,这里只展示Servlet代码：

@WebServlet(urlPatterns = "/async",asyncSupported = true)
@Slf4j
public class AsyncServlet extends HttpServlet {

 ExecutorService executorService =Executors.newSingleThreadExecutor();

 @Override
  protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
  //开启异步,获取异步上下文
  final AsyncContext ctx = req.startAsync();
  // 提交线程池异步执行
  executorService.execute(new Runnable() {

   @Override
   public void run() {
    try {
     log.info("async Service 准备执行了");
     //模拟耗时任务
     Thread.sleep(10000L);
     ctx.getResponse().getWriter().print("async servlet");
     log.info("async Service 执行了");
    } catch (IOException e) {
     e.printStackTrace();
    } catch (InterruptedException e) {
     e.printStackTrace();
    }
    //最后执行完成后完成回调。
    ctx.complete();
   }
  });
 }

上面的代码实现了一个异步的Servlet,实现了 doGet 方法注意在SpringBoot中使用需要再启动类加上 @ServletComponentScan 注解来扫描Servlet。既然代码写好了，我们来看看实际运行效果。

我们发送一个请求后，看到页面有响应，同时，看到请求时间花费了10.05s,那么我们这个Servlet算是能正常运行啦。有同学肯定会问，这不是异步servlet吗？你的响应时间并没有加快，有什么用呢？对，我们的响应时间并不能加快，还是会取决于我们的业务逻辑，但是我们的异步servlet请求后，依赖于业务的异步执行，我们可以立即返回，也就是说，Tomcat的线程可以立即回收，默认情况下，Tomcat的核心线程是10，最大线程数是200,我们能及时回收线程，也就意味着我们能处理更多的请求，能够增加我们的吞吐量，这也是异步Servlet的主要作用。

异步Servlet的内部原理

了解完异步Servlet的作用后，我们来看看，Tomcat是如何是先异步Servlet的。其实上面的代码，主要核心逻辑就两部分， final AsyncContext ctx = req.startAsync(); 和 ctx.complete(); 那我们来看看他们究竟做了什么？

 public AsyncContext startAsync(ServletRequest request,
   ServletResponse response) {
  if (!isAsyncSupported()) {
   IllegalStateException ise =
     new IllegalStateException(sm.getString("request.asyncNotSupported"));
   log.warn(sm.getString("coyoteRequest.noAsync",
     StringUtils.join(getNonAsyncClassNames())), ise);
   throw ise;
  }

  if (asyncContext == null) {
   asyncContext = new AsyncContextImpl(this);
  }

  asyncContext.setStarted(getContext(), request, response,
    request==getRequest() && response==getResponse().getResponse());
  asyncContext.setTimeout(getConnector().getAsyncTimeout());

  return asyncContext;
 }

我们发现 req.startAsync(); 只是保存了一个异步上下文，同时设置一些基础信息，比如 Timeout ,顺便提一下，这里设置的默认超时时间是30S，也就是说你的异步处理逻辑超过30S后就会报错，这个时候执行 ctx.complete(); 就会抛出IllegalStateException 异常。

我们来看看 ctx.complete(); 的逻辑

 public void complete() {
  if (log.isDebugEnabled()) {
   logDebug("complete ");
  }
  check();
  request.getCoyoteRequest().action(ActionCode.ASYNC_COMPLETE, null);
 }
//类：AbstractProcessor
 public final void action(ActionCode actionCode, Object param) {
 case ASYNC_COMPLETE: {
   clearDispatches();
   if (asyncStateMachine.asyncComplete()) {
    processSocketEvent(SocketEvent.OPEN_READ, true);
   }
   break;
  }
 }
 //类：AbstractProcessor
protected void processSocketEvent(SocketEvent event, boolean dispatch) {
  SocketWrapperBase<?> socketWrapper = getSocketWrapper();
  if (socketWrapper != null) {
   socketWrapper.processSocket(event, dispatch);
  }
 }
 //类：AbstractEndpoint
public boolean processSocket(SocketWrapperBase<S> socketWrapper,
   SocketEvent event, boolean dispatch) {
  //省略部分代码
   SocketProcessorBase<S> sc = null;
   if (processorCache != null) {
    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();
   }

  return true;
 }

所以，这里最终会调用 AbstractEndpoint 的 processSocket 方法，之前看过我前面博客的同学应该有印象， EndPoint 是用来接受和处理请求的，接下来就会交给 Processor 去进行协议处理。

类：AbstractProcessorLight
public SocketState process(SocketWrapperBase<?> socketWrapper, SocketEvent status)
   throws IOException {
  //省略部分diam
  SocketState state = SocketState.CLOSED;
  Iterator<DispatchType> dispatches = null;
  do {
   if (dispatches != null) {
    DispatchType nextDispatch = dispatches.next();
    state = dispatch(nextDispatch.getSocketStatus());
   } else if (status == SocketEvent.DISCONNECT) {

   } else if (isAsync() || isUpgrade() || state == SocketState.ASYNC_END) {
    state = dispatch(status);
    if (state == SocketState.OPEN) {
     state = service(socketWrapper);
    }
   } else if (status == SocketEvent.OPEN_WRITE) {
    state = SocketState.LONG;
   } else if (status == SocketEvent.OPEN_READ){
    state = service(socketWrapper);
   } else {
    state = SocketState.CLOSED;
   }

  } while (state == SocketState.ASYNC_END ||
    dispatches != null && state != SocketState.CLOSED);

  return state;
 }

这部分是重点， AbstractProcessorLight 会根据 SocketEvent 的状态来判断是不是要去调用 service(socketWrapper) ,该方法最终会去调用到容器，从而完成业务逻辑的调用，我们这个请求是执行完成后调用的，肯定不能进容器了，不然就是死循环了，这里通过 isAsync() 判断，就会进入 dispatch(status) ,最终会调用 CoyoteAdapter 的 asyncDispatch 方法

public boolean asyncDispatch(org.apache.coyote.Request req, org.apache.coyote.Response res,
   SocketEvent status) throws Exception {
  //省略部分代码
  Request request = (Request) req.getNote(ADAPTER_NOTES);
  Response response = (Response) res.getNote(ADAPTER_NOTES);
  boolean success = true;
  AsyncContextImpl asyncConImpl = request.getAsyncContextInternal();
  try {
   if (!request.isAsync()) {
    response.setSuspended(false);
   }

   if (status==SocketEvent.TIMEOUT) {
    if (!asyncConImpl.timeout()) {
     asyncConImpl.setErrorState(null, false);
    }
   } else if (status==SocketEvent.ERROR) {

   }

   if (!request.isAsyncDispatching() && request.isAsync()) {
    WriteListener writeListener = res.getWriteListener();
    ReadListener readListener = req.getReadListener();
    if (writeListener != null && status == SocketEvent.OPEN_WRITE) {
     ClassLoader oldCL = null;
     try {
      oldCL = request.getContext().bind(false, null);
      res.onWritePossible();//这里执行浏览器响应，写入数据
      if (request.isFinished() && req.sendAllDataReadEvent() &&
        readListener != null) {
       readListener.onAllDataRead();
      }
     } catch (Throwable t) {

     } finally {
      request.getContext().unbind(false, oldCL);
     }
    }
    }
   }
   //这里判断异步正在进行，说明这不是一个完成方法的回调，是一个正常异步请求，继续调用容器。
   if (request.isAsyncDispatching()) {
    connector.getService().getContainer().getPipeline().getFirst().invoke(
      request, response);
    Throwable t = (Throwable) request.getAttribute(RequestDispatcher.ERROR_EXCEPTION);
    if (t != null) {
     asyncConImpl.setErrorState(t, true);
    }
   }
   //注意，这里，如果超时或者出错，request.isAsync()会返回false，这里是为了尽快的输出错误给客户端。
   if (!request.isAsync()) {
    //这里也是输出逻辑
    request.finishRequest();
    response.finishResponse();
   }
   //销毁request和response
   if (!success || !request.isAsync()) {
    updateWrapperErrorCount(request, response);
    request.recycle();
    response.recycle();
   }
  }
  return success;
 }

上面的代码就是 ctx.complete() 执行最终的方法了（当然省略了很多细节），完成了数据的输出，最终输出到浏览器。

这里有同学可能会说，我知道异步执行完后，调用 ctx.complete() 会输出到浏览器，但是，第一次doGet请求执行完成后，Tomcat是怎么知道不用返回到客户端的呢？关键代码在 CoyoteAdapter 中的 service 方法，部分代码如下：

 postParseSuccess = postParseRequest(req, request, res, response);
   //省略部分代码
   if (postParseSuccess) {
    request.setAsyncSupported(
      connector.getService().getContainer().getPipeline().isAsyncSupported());
    connector.getService().getContainer().getPipeline().getFirst().invoke(
      request, response);
   }
   if (request.isAsync()) {
    async = true;
    } else {
    //输出数据到客户端
    request.finishRequest();
    response.finishResponse();
   if (!async) {
    updateWrapperErrorCount(request, response);
    //销毁request和response
    request.recycle();
    response.recycle();
   }

这部分代码在调用完 Servlet 后，会通过 request.isAsync() 来判断是否是异步请求，如果是异步请求，就设置 async = true 。如果是非异步请求就执行输出数据到客户端逻辑，同时销毁 request 和 response 。这里就完成了请求结束后不响应客户端的操作。

为什么说Spring Boot的@EnableAsync注解不是异步Servlet

因为之前准备写本篇文章的时候就查询过很多资料，发现很多资料写SpringBoot异步编程都是依赖于 @EnableAsync 注解，然后在 Controller 用多线程来完成业务逻辑，最后汇总结果，完成返回输出。这里拿一个掘金大佬的文章来举例《新手也能看懂的 SpringBoot 异步编程指南》，这篇文章写得很通俗易懂，非常不错，从业务层面来说，确实是异步编程，但是有一个问题，抛开业务的并行处理来说，针对整个请求来说，并不是异步的，也就是说不能立即释放Tomcat的线程，从而不能达到异步Servlet的效果。这里我参考上文也写了一个demo，我们来验证下，为什么它不是异步的。

@RestController
@Slf4j
public class TestController {
 @Autowired
 private TestService service;

 @GetMapping("/hello")
 public String test() {
  try {
   log.info("testAsynch Start");
   CompletableFuture<String> test1 = service.test1();
   CompletableFuture<String> test2 = service.test2();
   CompletableFuture<String> test3 = service.test3();
   CompletableFuture.allOf(test1, test2, test3);
   log.info("test1=====" + test1.get());
   log.info("test2=====" + test2.get());
   log.info("test3=====" + test3.get());
  } catch (InterruptedException e) {
   e.printStackTrace();
  } catch (ExecutionException e) {
   e.printStackTrace();
  }
  return "hello";
 }
@Service
public class TestService {
 @Async("asyncExecutor")
 public CompletableFuture<String> test1() throws InterruptedException {
  Thread.sleep(3000L);
  return CompletableFuture.completedFuture("test1");
 }

 @Async("asyncExecutor")
 public CompletableFuture<String> test2() throws InterruptedException {
  Thread.sleep(3000L);
  return CompletableFuture.completedFuture("test2");
 }

 @Async("asyncExecutor")
 public CompletableFuture<String> test3() throws InterruptedException {
  Thread.sleep(3000L);
  return CompletableFuture.completedFuture("test3");
 }
}
@SpringBootApplication
@EnableAsync
public class TomcatdebugApplication {

 public static void main(String[] args) {
  SpringApplication.run(TomcatdebugApplication.class, args);
 }

 @Bean(name = "asyncExecutor")
 public Executor asyncExecutor() {
  ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor();
  executor.setCorePoolSize(3);
  executor.setMaxPoolSize(3);
  executor.setQueueCapacity(100);
  executor.setThreadNamePrefix("AsynchThread-");
  executor.initialize();
  return executor;
 }

这里我运行下，看看效果

这里我请求之后，在调用容器执行业务逻辑之前打了一个断点，然后在返回之后的同样打了一个断点，在 Controller 执行完之后，请求才回到了 CoyoteAdapter 中，并且判断 request.isAsync() ,根据图中看到，是为 false ,那么接下来就会执行 request.finishRequest() 和 response.finishResponse() 来执行响应的结束，并销毁请求和响应体。很有趣的事情是，我实验的时候发现，在执行 request.isAsync() 之前，浏览器的页面上已经出现了响应体，这是SpringBoot框架已经通过 StringHttpMessageConverter 类中的 writeInternal 方法已经进行输出了。

以上分析的核心逻辑就是，Tomcat的线程执行 CoyoteAdapter 调用容器后，必须要等到请求返回，然后再判断是否是异步请求，再处理请求，然后执行完毕后，线程才能进行回收。而我一最开始的异步Servlet例子，执行完doGet方法后，就会立即返回，也就是会直接到 request.isAsync() 的逻辑，然后整个线程的逻辑执行完毕，线程被回收。

聊聊异步Servlet的使用场景

分析了这么多，那么异步Servlet的使用场景有哪些呢？其实我们只要抓住一点就可以分析了，就是异步Servlet提高了系统的吞吐量，可以接受更多的请求。假设web系统中Tomcat的线程不够用了，大量请求在等待，而此时Web系统应用层面的优化已经不能再优化了，也就是无法缩短业务逻辑的响应时间了，这个时候，如果想让减少用户的等待时间，提高吞吐量，可以尝试下使用异步Servlet。

举一个实际的例子：比如做一个短信系统，短信系统对实时性要求很高，所以要求等待时间尽可能短，而发送功能我们实际上是委托运营商去发送的，也就是说我们要调用接口，假设并发量很高，那么这个时候业务系统调用我们的发送短信功能，就有可能把我们的Tomcat线程池用完，剩下的请求就会在队列中等待，那这个时候，短信的延时就上去了，为了解决这个问题，我们可以引入异步Servlet,接受更多的短信发送请求，从而减少短信的延时。

总结

这篇文章我从手写一个异步Servlet来开始，分析了异步Servlet的作用，以及Tomcat内部是如何实现异步Servlet的，然后我也根据互联网上流行的SpringBoot异步编程来进行说明，其在Tomcat内部并不是一个异步的Servlet。最后，我谈到了异步Servlet的使用场景，分析了什么情况下可以尝试异步Servlet。

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