从连接器组件看Tomcat的线程模型——BIO模式
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。
