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Tomcat系列（二）- EndPoint源码解析

JAVA学习网 2019-12-22 23:37:12

在上一节中我们描述了Tomcat的整体架构，

我们知道了Tomcat分为两个大组件，一个连接器和一个容器。

而我们这次要讲的 EndPoint的组件就是属于连接器里面的。

它是一个通信的端点，就是负责对外实现TCP/IP协议。

EndPoint是个接口，

它的具体实现类就是 AbstractEndpoint，而 AbstractEndpoint具体的实现类就有 AprEndpoint、 Nio2Endpoint、 NioEndpoint。

  • AprEndpoint：对应的是APR模式，简单理解就是从操作系统级别解决异步IO的问题，大幅度提高服务器的处理和响应性能。但是启用这种模式需要安装一些其他的依赖库。

  • Nio2Endpoint：利用代码来实现异步IO

  • NioEndpoint：利用了JAVA的NIO实现了非阻塞IO，Tomcat默认启动是以这个来启动的，而这个也是我们的讲述重点。

NioEndpoint中重要的组件

　　我们知道 NioEndpoint的原理还是对于Linux的多路复用器的使用，而在多路复用器中简单来说就两个步骤。

　　　　1. 创建一个Selector，在它身上注册各种Channel，然后调用select方法，等待通道中有感兴趣的事件发生。

　　　　2. 如果有感兴趣的事情发生了，例如是读事件，那么就将信息从通道中读取出来。

　　而 NioEndpoint为了实现上面这两步，用了五个组件来。

　　这五个组件是 LimitLatch、 Acceptor、 Poller、 SocketProcessor、 Executor

/**
 * Threads used to accept new connections and pass them to worker threads.
 */
protected List<Acceptor<U>> acceptors;

/**
 * counter for nr of connections handled by an endpoint
 */
private volatile LimitLatch connectionLimitLatch = null;

/**
 * The socket pollers.
 */
private Poller[] pollers = null;

// 内部类
SocketProcessor

/**
 * External Executor based thread pool.
 */
private Executor executor = null;
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　　我们可以看到在代码中定义的这五个组件。具体这五个组件是干嘛的呢？

    • LimitLatch：连接控制器，负责控制最大的连接数

    • Acceptor：负责接收新的连接，然后返回一个 Channel对象给 Poller

    • Poller：可以将其看成是NIO中 Selector，负责监控 Channel的状态

    • SocketProcessor：可以看成是一个被封装的任务类

    • Executor：Tomcat自己扩展的线程池，用来执行任务类

　　用图简单表示就是以下的关系

　　

　　接下来我们就来分别的看一下每个组件里面关键的代码

LimitLatch

　　我们上面说了 LimitLatch主要是用来控制Tomcat所能接收的最大数量连接，如果超过了此连接，那么Tomcat就会将此连接线程阻塞等待，等里面有其他连接释放了再消费此连接。

　　那么 LimitLatch是如何做到呢？我们可以看 LimitLatch这个类

public class LimitLatch {
    private static final Log log = LogFactory.getLog(LimitLatch.class);
    
    private class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
        private static final long serialVersionUID = 1L;
        public Sync() {}
        @Override
        protected int tryAcquireShared(int ignored) {
            long newCount = count.incrementAndGet();
            if (!released && newCount > limit) {
                // Limit exceeded
                count.decrementAndGet();
                return -1;
            } else {
                return 1;
            }
        }
        @Override
        protected boolean tryReleaseShared(int arg) {
            count.decrementAndGet();
            return true;
        }
    }

    private final Sync sync;
    private final AtomicLong count;
    private volatile long limit;
    private volatile boolean released = false;
}
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　　我们可以看到它内部实现了 AbstractQueuedSynchronizer，AQS其实就是一个框架，实现它的类可以自定义控制线程什么时候挂起什么时候释放。

　　limit参数就是控制的最大连接数。

　　我们可以看到 AbstractEndpoint调用 LimitLatch的 countUpOrAwait方法来判断是否能获取连接。

public void countUpOrAwait() throws InterruptedException {
        if (log.isDebugEnabled()) {
            log.debug("Counting up["+Thread.currentThread().getName()+"] latch="+getCount());
        }
        sync.acquireSharedInterruptibly(1);
    }
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　　AQS是如何知道什么时候阻塞线程呢？即不能获取连接呢？

　　这些就靠用户自己实现 AbstractQueuedSynchronizer自己来定义什么时候获取连接，什么时候释放连接了。

　　可以看到Sync类重写了 tryAcquireShared和 tryReleaseShared方法。

　　在 tryAcquireShared方法中定义了一旦当前连接数大于了设置的最大连接数，那么就会返回 -1表示将此线程放入AQS队列中等待。

Acceptor

　　Acceptor是接收连接的，我们可以看到 Acceptor实现了 Runnable接口，那么在哪会新开启线程来执行 Acceptor的run方法呢？

　　在 AbstractEndpoint的 startAcceptorThreads方法中。

protected final void startAcceptorThreads() {
    int count = getAcceptorThreadCount();
    acceptors = new Acceptor[count];

    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();
    }
}
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　　可以看到这里可以设置开启几个 Acceptor，默认是一个。

　　而一个端口只能对应一个 ServerSocketChannel，那么这个 ServerSocketChannel在哪初始化呢？我们可以看到在 Acceptor<U>acceptor=newAcceptor<>(this);

　　这句话中传入了this进去，那么应该是由 Endpoint组件初始化的连接。

　　在 NioEndpoint的 initServerSocket方法中初始化了连接。

　　

　　这里面我们能够看到两点

　　　　1. 在bind方法中的第二个参数表示操作系统的等待队列长度，即Tomcat不再接受连接时（达到了设置的最大连接数），但是在操作系统层面还是能够接受连接的，此时就将此连接信息放入等待队列，那么这个队列的大小就是此参数设置

　　　　2. ServerSocketChannel被设置成了阻塞的模式，也就是说是以阻塞方式接受连接的。

　　　　或许会有疑问。在平时的NIO编程中Channel不是都要设置成非阻塞模式吗？

　　　　这里解释一下，如果是设置成非阻塞模式那么就必须设置一个 Selector不断的轮询，但是接受连接只需要阻塞一个通道即可。

　　

　　这里需要注意一点，每个 Acceptor在生成 PollerEvent对象放入 Poller队列中时都是随机取出 Poller对象的，

　　所以 Poller中的 Queue对象设置成了 SynchronizedQueue<PollerEvent>，因为可能有多个 Acceptor同时向此 Poller的队列中放入 PollerEvent对象。

　　具体代码可以看如下，

public Poller getPoller0() {
    int idx = Math.abs(pollerRotater.incrementAndGet()) % pollers.length;
    return pollers[idx];
}
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什么是操作系统级别的连接呢？

在TCP的三次握手中，系统通常会每一个LISTEN状态的Socket维护两个队列，一个是半连接队列（SYN）：

这些连接已经收到客户端SYN;另一个是全连接队列（ACCEPT）：

这些链接已经收到客户端的ACK，完成了三次握手，等待被应用调用accept方法取走使用。

　　所有的 Acceptor共用这一个连接，在 Acceptor的 run方法中，放一些重要的代码。

public void run(){
    // Loop until we receive a shutdown command
    while(endpoint.isRunning()){
        try{
            //如果到了最大连接数,线程等待
            endpoint.countUpOrAwaitConnection();
            U socket = null;             
            try{
                //调用accept方法获得一个连接
                socket = endpoint.serverSocketAccept();
            }catch(Exception ioe){                        
                // 出异常以后当前连接数减掉1
                endpoint.countDownConnection();                   
            }
            // 配置Socket
            if(endpoint.isRunning() && !endpoint.isPaused()){
                // setSocketOptions() will hand the socket off to                   
                // an appropriate processor if successful                      
                if(!endpoint.setSocketOptions(socket)){
                    endpoint.closeSocket(socket)        
                }
            } else {
                endpoint.destroySocket(socket);                    
            }        
        }
    }
}
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　　里面我们可以得到两点

　　　　1. 运行时会先判断是否到达了最大连接数，如果到达了那么就阻塞线程等待，里面调用的就是 LimitLatch组件判断的。

　　　　2. 最重要的就是配置socket这一步了，是 endpoint.setSocketOptions(socket)这段代码

　　

　　其实里面重要的就是将 Acceptor与一个 Poller绑定起来，然后两个组件通过队列通信，每个Poller都维护着一个 SynchronizedQueue队列， ChannelEvent放入到队列中，然后 Poller从队列中取出事件进行消费。

Poller

　　我们可以看到 Poller是 NioEndpoint的内部类，而它也是实现了 Runnable接口，可以看到在其类中维护了一个Quene和Selector，定义如下。

　　所以本质上 Poller就是 Selector。

private Selector selector;
private final SynchronizedQueue<PollerEvent> events =new SynchronizedQueue<>();
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　　重点在其run方法中，这里删减了一些代码，只展示重要的。

　　

　　其中主要的就是调用了 events()方法，就是不断的查看队列中是否有 Pollerevent事件，如果有的话就将其取出然后把里面的 Channel取出来注册到该 Selector中，然后不断轮询所有注册过的 Channel查看是否有事件发生。

SocketProcessor

　　我们知道 Poller在轮询 Channel有事件发生时，就会调用将此事件封装起来，然后交给线程池去执行。

　　那么这个包装类就是 SocketProcessor。

　　而我们打开此类，能够看到它也实现了 Runnable接口，用来定义线程池 Executor中线程所执行的任务。

　　那么这里是如何将 Channel中的字节流转换为Tomcat需要的 ServletRequest对象呢？其实就是调用了 Http11Processor来进行字节流与对象的转换的。

Executor

　　Executor其实是Tomcat定制版的线程池。我们可以看它的类的定义，可以发现它其实是扩展了Java的线程池。

public interface Executor extends java.util.concurrent.Executor, Lifecycle
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　　在线程池中最重要的两个参数就是核心线程数和最大线程数，正常的Java线程池的执行流程是这样的。

　　　　1. 如果当前线程小于核心线程数，那么来一个任务就创建一个线程。

　　　　2. 如果当前线程大于核心线程数，那么就再来任务就将任务放入到任务队列中。所有线程抢任务。

　　　　3. 如果队列满了，那么就开始创建临时线程。

　　　　4. 如果总线程数到了最大的线程数并且队列也满了，那么就抛出异常。

　　但是在Tomcat自定义的线程池中是不一样的，通过重写了 execute方法实现了自己的任务处理逻辑。

　　　　1. 如果当前线程小于核心线程数，那么来一个任务就创建一个线程。

　　　　2. 如果当前线程大于核心线程数，那么就再来任务就将任务放入到任务队列中。所有线程抢任务。

　　　　3. 如果队列满了，那么就开始创建临时线程。

　　　　4. 如果总线程数到了最大的线程数，再次获得任务队列，再尝试一次将任务加入队列中。

　　　　5. 如果此时还是满的，就抛异常。

　　差别就在于第四步的差别，原生线程池的处理策略是只要当前线程数大于最大线程数，那么就抛异常，而Tomcat的则是如果当前线程数大于最大线程数，就再尝试一次，如果还是满的才会抛异常。

　　下面是定制化线程池 execute的执行逻辑。

public void execute(Runnable command, long timeout,TimeUnit unit){
    submittedCount.incrementAndGet();  
    try{ 
        super.execute(command);
    }catch(RejectedExecutionException rx){            
        if(super.getQueue() instanceof TaskQueue){

            //获得任务队列             
            final TaskQueue queue = (TaskQueue)super.getQueue();
            try{            
                if(!queue.force(command,timeout,unit)){
                    submittedCount.decrementAndGet();                
                    throw new RejectedExecutionException(sm.getString("threadPoolExecutor.queueFull"));                   
                }         
            }catch(InterruptedException x){
                submittedCount.decrementAndGet();
                throw new RejectedExecutionException(x);            
            }    
        }else{
            submittedCount.decrementAndGet();
            throw rx;        
        }   
    }
}
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　　在代码中，我们可以看到有这么一句 submittedCount.incrementAndGet();

　　为什么会有这句呢？我们可以看看这个参数的定义。

　　简单来说这个参数就是定义了任务已经提交到了线程池中，但是还没有执行的任务个数。

private final AtomicInteger submittedCount = new AtomicInteger(0);
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　　为什么会有这么一个参数呢？

　　我们知道定制的队列是继承了 LinkedBlockingQueue，而 LinkedBlockingQueue队列默认是没有边界的。

　　于是我们就传入了一个参数， maxQueueSize给构造的队列。

　　但是在Tomcat的任务队列默认情况下是无限制的，那么这样就会出一个问题，如果当前线程达到了核心线程数，则开始向队列中添加任务，那么就会一直是添加成功的。

　　那么就不会再创建新的线程。那么在什么情况下要新建线程呢？

线程池中创建新线程会有两个地方，一个是小于核心线程时，来一个任务创建一个线程。另一个是超过核心线程并且任务队列已满，则会创建临时线程。

　　那么如何规定任务队列是否已满呢？如果设置了队列的最大长度当然好了，但是Tomcat默认情况下是没有设置，所以默认是无限的。所以Tomcat的 TaskQueue继承了 LinkedBlockingQueue，重写了 offer方法，在里面定义了什么时候返回false。

　　

　　这就是 submittedCount的意义，目的就是为了在任务队列长度无限的情况下，让线程池有机会创建新的线程。

总结

　　上面的知识有部分是看着李号双老师的深入拆解Tomcat总结的，又结合着源码深入了解了一下，当时刚看文章的时候觉得自己都懂了，但是再深入源码的时候又会发现自己不懂。

　　所以知识如果只是看了而不运用，那么知识永远都不会是自己的。

　　通过Tomcat连接器这一小块的源码学习，除了一些常用知识的实际运用，例如AQS、锁的应用、自定义线程池需要考虑的点、NIO的应用等等。

　　还有总体上的设计思维的学习，模块化设计，和如今的微服务感觉很相似，将一个功能点内部分为多种模块，这样无论是在以后替换或者是升级时都能游刃有余。

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