浅尝Java NIO与Tomcat简单连接调优
P本文使用jdk1.8.0_45 spring boot 2.1.4.RELEASE
涉及源码都放在 https://github.com/sabersword/Nio
这周遇到一个连接断开的问题，便沿着这条线学习了一下Java NIO，顺便验证一下Tomcat作为spring boot默认的web容器，是怎样管理空闲连接的。
Java NIO（new IO/non-blockingIO）不同于BIO,BIO是堵塞型的，并且每一条学习路线的IO章节都会从BIO说起，因此大家非常熟悉。而NIO涉及Linux底层的select，poll，epoll等，要求对Linux的网络编程有扎实功底，反正我是没有搞清楚，在此推荐一篇通俗易懂的入门文章：
https://www.jianshu.com/p/ef418ccf2f7d
此处先引用文章的结论：
对于socket的文件描述符才有所谓BIO和NIO。
多线程+BIO模式会带来大量的资源浪费，而NIO+IO多路复用可以解决这个问题。
在Linux下，基于epoll的IO多路复用是解决这个问题的最佳方案；epoll相比select和poll有很大的性能优势和功能优势，适合实现高性能网络服务。
底层的技术先交给大神们解决，我们着重从Java上层应用的角度了解一下。
从JDK 1.5起使用epoll代替了传统的select/poll，极大提升了NIO的通信性能，因此下文提到Java NIO都是使用epoll的。
Java NIO涉及到的三大核心部分Channel、Buffer、Selector，它们都十分复杂，单单其中一部分都能写成一篇文章，就不班门弄斧了。此处贴上一个自己学习NIO时设计的样例，功能是服务器发布服务，客户端连上服务器，客户端向服务器发送若干次请求，达到若干次答复后，服务器率先断开连接，随后客户端也断开连接。
NIO服务器端关键代码
public void handleRead(SelectionKey key) {
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
try {
long bytesRead = sc.read(buf);
StringBuffer sb = new StringBuffer();
while (bytesRead > 0) {
buf.flip();
while (buf.hasRemaining()) {
sb.append((char) buf.get());
}
buf.clear();
bytesRead = sc.read(buf);
}
LOGGER.info("收到客户端的消息:{}", sb.toString());
writeResponse(sc, sb.toString());
if (sb.toString().contains("3")) {
sc.close();
}
} catch (IOException e) {
key.cancel();
e.printStackTrace();
LOGGER.info("疑似一个客户端断开连接");
try {
sc.close();
} catch (IOException e1) {
LOGGER.info("SocketChannel 关闭异常");
}
}
}
NIO客户端关键代码
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
if (key.isConnectable()) {
while (!socketChannel.finishConnect()) ;
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocateDirect(1024));
LOGGER.info("与服务器连接成功,使用本地端口{}", socketChannel.socket().getLocalPort());
}
if (key.isReadable()) {
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
long bytesRead;
try {
bytesRead = sc.read(buf);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
LOGGER.info("远程服务器断开了与本机的连接,本机也进行断开");
sc.close();
continue;
}
while (bytesRead > 0) {
buf.flip();
while (buf.hasRemaining()) {
System.out.print((char) buf.get());
}
System.out.println();
buf.clear();
bytesRead = sc.read(buf);
}
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
String info = "I'm " + i++ + "-th information from client";
buffer.clear();
buffer.put(info.getBytes());
buffer.flip();
while (buffer.hasRemaining()) {
sc.write(buffer);
}
}
iter.remove();
}
服务器日志
客户端日志
从这个样例可以看到，客户端和服务器都能根据自身的策略，与对端断开连接，本例中是服务器首先断开连接，根据TCP协议，必然有一个时刻服务器处于FIN_WAIT_2状态，而客户端处于CLOSE_WAIT状态
我们通过netstat命令找出这个状态，果不其然。
但是JDK提供的NIO接口还是很复杂很难写的，要用好它就必须借助于Netty、Mina等第三方库的封装，这部分就先不写了。接下来考虑另外一个问题，在大并发的场景下，成千上万的客户端涌入与服务器连接，连接成功后不发送请求，浪费了服务器宝贵的资源，这时服务器该如何应对？
答案当然是设计合适的连接池来管理这些宝贵的资源，为此我们选用Tomcat作为学习对象，了解一下它是如何管理空闲连接的。
Tomcat的Connector组件用于管理连接，Tomcat8默认使用Http11NioProtocol，它有一个属性ConnectionTimeout，注释如下：
可以简单理解成空闲超时时间，超时后Tomcat会主动关闭该连接来回收资源。
我们将它修改为10秒，得到如下配置类，并将该spring boot应用打包成tomcat-server.jar
@Component
public class MyEmbeddedServletContainerFactory extends TomcatServletWebServerFactory {
public WebServer getWebServer(ServletContextInitializer... initializers) {
// 设置端口
this.setPort(8080);
return super.getWebServer(initializers);
}
protected void customizeConnector(Connector connector) {
super.customizeConnector(connector);
Http11NioProtocol protocol = (Http11NioProtocol) connector.getProtocolHandler();
// 设置最大连接数
protocol.setMaxConnections(2000);
// 设置最大线程数
protocol.setMaxThreads(2000);
// 设置连接空闲超时
protocol.setConnectionTimeout(10 * 1000);
}
}
我们将上文的NIO客户端略微修改一下形成TomcatClient，功能就是连上服务器后什么都不做。
Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
if (key.isConnectable()) {
while (!socketChannel.finishConnect()) ;
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocateDirect(1024));
LOGGER.info("与远程服务器连接成功,使用本地端口{}", socketChannel.socket().getLocalPort());
}
if (key.isReadable()) {
SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer buf = (ByteBuffer) key.attachment();
long readCount;
readCount = sc.read(buf);
while (readCount > 0) {
buf.flip();
while (buf.hasRemaining()) {
System.out.print((char) buf.get());
}
System.out.println();
buf.clear();
readCount = sc.read(buf);
}
// 远程服务器断开连接后会不停触发OP_READ,并收到-1代表End-Of-Stream
if (readCount == -1) {
LOGGER.info("远程服务器断开了与本机的连接,本机也进行断开");
sc.close();
}
}
iter.remove();
}
分别运行服务器和客户端，可以看到客户端打印如下日志
30:27连上服务器，不进行任何请求，经过10秒后到30:37被服务器断开了连接。
此时netstat会发现还有一个TIME_WAIT的连接
根据TCP协议主动断开方必须等待2MSL才能关闭连接，Linux默认的2MSL=60秒（顺带说一句网上很多资料说CentOS的/proc/sys/net/ipv4/tcp_fin_timeout能修改2MSL的时间，实际并没有效果，这个参数应该是被写进内核，必须重新编译内核才能修改2MSL）。持续观察netstat发现31:36的时候TIME_WAIT连接还在，到了31:38连接消失了，可以认为是31:37关闭连接，对比上文30:37刚好经过了2MSL（默认60秒）的时间。