Tomcat系列(8)——Tomcat运行模式连接数和线程池
Connector的主要功能，是接收连接请求，创建Request和Response对象用于和请求端交换数据；然后分配线程让Engine（也就是Servlet容器）来处理这个请求，并把产生的Request和Response对象传给Engine。当Engine处理完请求后，也会通过Connector将响应返回给客户端。根据协议的不同，Connector可以分为HTTP Connector、AJP Connector等，本文只讨论HTTP Connector。
一、三中运行模式Nio、Bio、APR
1、Connector的protocol
Connector在处理HTTP请求时，会使用不同的protocol。不同的Tomcat版本支持的protocol不同，其中最典型的protocol包括BIO、NIO和APR（Tomcat7中支持这3种，Tomcat8增加了对NIO2的支持，而到了Tomcat8.5和Tomcat9.0，则去掉了对BIO的支持）。
BIO是Blocking IO，顾名思义是阻塞的IO；NIO是Non-blocking IO，则是非阻塞的IO。而APR是Apache Portable Runtime，是Apache可移植运行库，利用本地库可以实现高可扩展性、高性能；Apr是在Tomcat上运行高并发应用的首选模式，但是需要安装apr、apr-utils、tomcat-native等包。
2、如何指定protocol
Connector使用哪种protocol，可以通过<connector>元素中的protocol属性进行指定，也可以使用默认值。
指定的protocol取值及对应的协议如下：
- HTTP/1.1：默认值，使用的协议与Tomcat版本有关
- org.apache.coyote.http11.Http11Protocol：BIO
- org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol：NIO
- org.apache.coyote.http11.Http11Nio2Protocol：NIO2
- org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol：APR
如果没有指定protocol，则使用默认值HTTP/1.1，其含义如下：在Tomcat7中，自动选取使用BIO或APR（如果找到APR需要的本地库，则使用APR，否则使用BIO）；在Tomcat8中，自动选取使用NIO或APR（如果找到APR需要的本地库，则使用APR，否则使用NIO）。
3、BIO/NIO有何不同
无论是BIO，还是NIO，Connector处理请求的大致流程是一样的：
在accept队列中接收连接（当客户端向服务器发送请求时，如果客户端与OS完成三次握手建立了连接，则OS将该连接放入accept队列）；在连接中获取请求的数据，生成request；调用servlet容器处理请求；返回response。
为了便于后面的说明，首先明确一下连接与请求的关系：连接是TCP层面的（传输层），对应socket；请求是HTTP层面的（应用层），必须依赖于TCP的连接实现；一个TCP连接中可能传输多个HTTP请求。
在BIO实现的Connector中，处理请求的主要实体是JIoEndpoint对象。JIoEndpoint维护了Acceptor和Worker：Acceptor接收socket，然后从Worker线程池中找出空闲的线程处理socket，如果worker线程池没有空闲线程，则Acceptor将阻塞。其中Worker是Tomcat自带的线程池，如果通过<Executor>配置了其他线程池，原理与Worker类似。
在NIO实现的Connector中，处理请求的主要实体是NIoEndpoint对象。NIoEndpoint中除了包含Acceptor和Worker外，还使用了Poller，处理流程如下图所示（图片来源：http://gearever.iteye.com/blog/1844203）。
Acceptor接收socket后，不是直接使用Worker中的线程处理请求，而是先将请求发送给了Poller，而Poller是实现NIO的关键。Acceptor向Poller发送请求通过队列实现，使用了典型的生产者-消费者模式。在Poller中，维护了一个Selector对象；当Poller从队列中取出socket后，注册到该Selector中；然后通过遍历Selector，找出其中可读的socket，并使用Worker中的线程处理相应请求。与BIO类似，Worker也可以被自定义的线程池代替。通过上述过程可以看出，在NIoEndpoint处理请求的过程中，无论是Acceptor接收socket，还是线程处理请求，使用的仍然是阻塞方式；但在“读取socket并交给Worker中的线程”的这个过程中，使用非阻塞的NIO实现，这是NIO模式与BIO模式的最主要区别（其他区别对性能影响较小，暂时略去不提）。而这个区别，在并发量较大的情形下可以带来Tomcat效率的显著提升：
目前大多数HTTP请求使用的是长连接（HTTP/1.1默认keep-alive为true），而长连接意味着，一个TCP的socket在当前请求结束后，如果没有新的请求到来，socket不会立马释放，而是等timeout后再释放。如果使用BIO，“读取socket并交给Worker中的线程”这个过程是阻塞的，也就意味着在socket等待下一个请求或等待释放的过程中，处理这个socket的工作线程会一直被占用，无法释放；因此Tomcat可以同时处理的socket数目不能超过最大线程数，性能受到了极大限制。而使用NIO，“读取socket并交给Worker中的线程”这个过程是非阻塞的，当socket在等待下一个请求或等待释放时，并不会占用工作线程，因此Tomcat可以同时处理的socket数目远大于最大线程数，并发性能大大提高。
二、线程池原理
线程池一般有三个重要参数：
1. 最大线程数。在程序运行的任何时候，线程数总数都不会超过这个数。如果请求数量超过最大数时，则会等待其他线程结束后再处理。
2. 最大共享线程数，即最大空闲线程数。如果当前的空闲线程数超过该值，则多余的线程会被杀掉。
3. 最小共享线程数，即最小空闲线程数。如果当前的空闲数小于该值，则一次性创建这个数量的空闲线程，所以它本身也是一个创建线程的步长。
线程池有两个概念：
1. Worker线程。工作线程主要是运行执行代码，有两种状态：空闲状态和运行状态。在空闲状态时，类似“休眠”，等待任务；处理运行状态时，表示正在运行任务（Runnable）。
2. 辅助线程。主要负责监控线程池的状态：空闲线程是否超过最大空闲线程数或者小于最小空闲线程数等。如果不满足要求，就调整之。
Tomcat线程池有如下参数：
maxThreads, 最大线程数，tomcat能创建来处理请求的最大线程数
maxSpareTHreads, 最大空闲线程数，在最大空闲时间内活跃过，但现在处于空闲，若空闲时间大于最大空闲时 间，则回收，小于则继续存活，等待被调度。
minSpareTHreads,最小空闲线程数，无论如何都会存活的最小线程数
acceptCount, 最大等待队列数 ，请求并发大于tomcat线程池的处理能力，则被放入等待队列等待被处理。
maxIdleTime, 最大空闲时间，超过这个空闲时间，且线程数大于最小空闲数的，都会被回收
原理图
tomcat原理如上图。Tomcat线程池在工作的时候，实际情况是：以上述线程池为例，Tomcat启动时如果没有请求过来，那么线程数（都是指线程池的）为0；一旦有请求，Tomcat会初始化minSapreThreads设置的线程数；一开始就创建最小空闲数的线程在池里，20个，当同一时间请求数量大于最小空闲数20，比如来了50个并发请求，那么线程池还需要创建30个线程来处理请求。这时候当请求都处理完了，持续来的请求低于50个的时候，那么当时间过了60秒，并发数还是没有达到50，那么从第50个线程开始，线程池将按照，空闲时间达到60s的，开始逐个回收，49个，48个，47个，如此回收。如果并发请求小于20个，那么线程池会回收至20个的时候，停止回收，这就是最小空闲数的作用，即使一个请求都没有，那么线程池也得保证随时都有20个。所谓空闲回收是指：一个线程在60s的时间内，一直处于等待。那么就可以判定该线程是空闲。如果这个空闲线程是在最小空闲数以上，则会被回收。当请求并发高于500最大空闲数的时候，线程池是会继续创建线程的，来满足特大突发性并发。当并发请求数降下之后，线程池中有空闲，那么，无论线程空闲时间是否达到60s，线程池都会进行回收至500。500以类的线程也会根据空闲时间是否大于60s来判断是否需要进行回收。
三、线程池6大重要参数
再回顾一下Tomcat处理请求的过程：在accept队列中接收连接（当客户端向服务器发送请求时，如果客户端与OS完成三次握手建立了连接，则OS将该连接放入accept队列）；在连接中获取请求的数据，生成request；调用servlet容器处理请求；返回response。
相对应的，Connector中的几个参数功能如下：
1、连接acceptCount
accept队列的长度；当accept队列中连接的个数达到acceptCount时，队列满，进来的请求一律被拒绝。默认值是100。
2、连接maxConnections
Tomcat在任意时刻接收和处理的最大连接数。当Tomcat接收的连接数达到maxConnections时，Acceptor线程不会读取accept队列中的连接；这时accept队列中的线程会一直阻塞着，直到Tomcat接收的连接数小于maxConnections。如果设置为-1，则连接数不受限制。
默认值与连接器使用的协议有关：NIO的默认值是10000，APR/native的默认值是8192，而BIO的默认值为maxThreads（如果配置了Executor，则默认值是Executor的maxThreads）。在windows下，APR/native的maxConnections值会自动调整为设置值以下最大的1024的整数倍；如设置为2000，则最大值实际是1024。
3、处理线程maxThreads
请求处理线程的最大数量。默认值是200（Tomcat7和8都是的）。如果该Connector绑定了Executor，这个值会被忽略，因为该Connector将使用绑定的Executor，而不是内置的线程池来执行任务。与并发量有关系。
maxThreads规定的是最大的线程数目，并不是实际running的CPU数量；实际上，maxThreads的大小比CPU核心数量要大得多。这是因为，处理请求的线程真正用于计算的时间可能很少，大多数时间可能在阻塞，如等待数据库返回数据、等待硬盘读写数据等。因此，在某一时刻，只有少数的线程真正的在使用物理CPU，大多数线程都在等待；因此线程数远大于物理核心数才是合理的。换句话说，Tomcat通过使用比CPU核心数量多得多的线程数，可以使CPU忙碌起来，大大提高CPU的利用率。
4、处理线程minSpareThreads
minSpareTHreads,最小空闲线程数，无论如何都会存活的最小线程数
5、处理线程maxSpareThreads
maxSpareTHreads, 最大空闲线程数，在最大空闲时间内活跃过，但现在处于空闲，若空闲时间大于最大空闲时 间，则回收，小于则继续存活，等待被调度。
6、处理线程maxIdeleTime
maxIdleTime, 最大空闲时间，超过这个空闲时间，且线程数大于最小空闲数的，都会被回收
7、参数设置
（1）maxThreads的设置既与应用的特点有关，也与服务器的CPU核心数量有关。通过前面介绍可以知道，maxThreads数量应该远大于CPU核心数量；而且CPU核心数越大，maxThreads应该越大；应用中CPU越不密集（IO越密集），maxThreads应该越大，以便能够充分利用CPU。当然，maxThreads的值并不是越大越好，如果maxThreads过大，那么CPU会花费大量的时间用于线程的切换，整体效率会降低。
（2）maxConnections的设置与Tomcat的运行模式有关。如果tomcat使用的是BIO，那么maxConnections的值应该与maxThreads一致；如果tomcat使用的是NIO，maxConnections值应该远大于maxThreads。
（3）通过前面的介绍可以知道，虽然tomcat同时可以处理的连接数目是maxConnections，但服务器中可以同时接收的连接数为maxConnections+acceptCount 。acceptCount的设置，与应用在连接过高情况下希望做出什么反应有关系。如果设置过大，后面进入的请求等待时间会很长；如果设置过小，后面进入的请求立马返回connection refused。
四、线程池Executor
Executor元素代表Tomcat中的线程池，可以由其他组件共享使用；要使用该线程池，组件需要通过executor属性指定该线程池。
Executor是Service元素的内嵌元素。一般来说，使用线程池的是Connector组件；为了使Connector能使用线程池，Executor元素应该放在Connector前面。Executor与Connector的配置举例如下：
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1
2
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<Executor name="tomcatThreadPool" namePrefix ="catalina-exec-" maxThreads="150" minSpareThreads="4" /><Connector executor="tomcatThreadPool" port="8080" protocol="HTTP/1.1" connectionTimeout="20000" redirectPort="8443" acceptCount="1000" /> |
Executor的主要属性包括：
- name：该线程池的标记
- maxThreads：线程池中最大活跃线程数，默认值200（Tomcat7和8都是）
- minSpareThreads：线程池中保持的最小线程数，最小值是25
- maxIdleTime：线程空闲的最大时间，当空闲超过该值时关闭线程（除非线程数小于minSpareThreads），单位是ms，默认值60000（1分钟）
- daemon：是否后台线程，默认值true
- threadPriority：线程优先级，默认值5
- namePrefix：线程名字的前缀，线程池中线程名字为：namePrefix+线程编号
