Tomcat架构解析之3 Connector NIOAcceptorPollerWorkerNioSelectorPool

上文简单记录了默认的Connector的内部构造及消息流,同时此Connector也是基于BIO的实现。 除BIO,也可以通过配置快速部署NIO的connector。在server.xml中如下配置;

整个Tomcat是一个比较完善的框架体系,各组件间都是基于接口实现,方便扩展 像这里的org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol和BIO的org.apache.coyote.http11.Http11Protocol都是统一的实现org.apache.coyote.ProtocolHandler接口

ProtocolHandler的实现类

从整体结构上来说,NIO还是与BIO的实现保持大体一致

NIO connector的内部结构

还是可以看见Connector中三大件

  • Http11NioProtocol
  • Mapper
  • CoyoteAdapter

基本功能与BIO的类似 重点看看Http11NioProtocol.

和JIoEndpoint一样,NioEndpointHttp11NioProtocol中负责接收处理socket的主要模块

NioEndpoint的主要流程

AcceptorWorker分别是以线程池形式存在 Poller是一个单线程 注意,与BIO的实现一样,默认状态下,在server.xml中

  • 没有配置<Executor>,则以Worker线程池运行
  • 配置了<Executor>,则以基于juc 系列的ThreadPoolExecutor线程池运行。

Acceptor

  • 接收socket线程,这里虽然是基于NIO的connector,但是在接收socket方面还是传统的serverSocket.accept()方式,获得SocketChannel对象
  • 然后封装在一个tomcat的实现类org.apache.tomcat.util.net.NioChannel对象中
  • 然后将NioChannel对象封装在一个PollerEvent对象中,并将PollerEvent对象压入events queue里。这里是个典型的生产者-消费者模式,Acceptor与Poller线程之间通过queue通信,Acceptor是events queue的生产者,Poller是events queue的消费者。

Poller

Poller线程中维护了一个Selector对象,NIO就是基于Selector来完成逻辑的 在Connector中并不止一个Selector,在Socket的读写数据时,为了控制timeout也有一个Selector,在后面的BlockSelector中介绍。可以先把Poller线程中维护的这个Selector标为主Selector Poller是NIO实现的主要线程。首先作为events queue的消费者,从queue中取出PollerEvent对象,然后将此对象中的channel以OP_READ事件注册到主Selector中,然后主Selector执行select操作,遍历出可以读数据的socket,并从Worker线程池中拿到可用的Worker线程,然后将socket传递给Worker。整个过程是典型的NIO实现。

Worker

Worker线程拿到Poller传过来的socket后,将socket封装在SocketProcessor对象中。然后从Http11ConnectionHandler中取出Http11NioProcessor对象,从Http11NioProcessor中调用CoyoteAdapter的逻辑,跟BIO实现一样。在Worker线程中,会完成从socket中读取http request,解析成HttpServletRequest对象,分派到相应的servlet并完成逻辑,然后将response通过socket发回client。在从socket中读数据和往socket中写数据的过程,并没有像典型的非阻塞的NIO的那样,注册OP_READ或OP_WRITE事件到主Selector,而是直接通过socket完成读写,这时是阻塞完成的,但是在timeout控制上,使用了NIO的Selector机制,但是这个Selector并不是Poller线程维护的主Selector,而是BlockPoller线程中维护的Selector,称之为辅Selector。

NioSelectorPool

NioEndpoint对象中维护了一个NioSelecPool对象,这个NioSelectorPool中又维护了一个BlockPoller线程,这个线程就是基于辅Selector进行NIO的逻辑。以执行servlet后,得到response,往socket中写数据为例,最终写的过程调用NioBlockingSelector的write方法。

public int write(ByteBuffer buf, NioChannel socket, long writeTimeout,MutableInteger lastWrite) throws IOException {  
        SelectionKey key = socket.getIOChannel().keyFor(socket.getPoller().getSelector());  
        if ( key == null ) throw new IOException("Key no longer registered");  
        KeyAttachment att = (KeyAttachment) key.attachment();  
        int written = 0;  
        boolean timedout = false;  
        int keycount = 1; //assume we can write  
        long time = System.currentTimeMillis(); //start the timeout timer  
        try {  
            while ( (!timedout) && buf.hasRemaining()) {  
                if (keycount > 0) { //only write if we were registered for a write  
                    //直接往socket中写数据  
                    int cnt = socket.write(buf); //write the data  
                    lastWrite.set(cnt);  
                    if (cnt == -1)  
                        throw new EOFException();  
                    written += cnt;  
                    //写数据成功,直接进入下一次循环,继续写  
                    if (cnt > 0) {  
                        time = System.currentTimeMillis(); //reset our timeout timer  
                        continue; //we successfully wrote, try again without a selector  
                    }  
                }  
                //如果写数据返回值cnt等于0,通常是网络不稳定造成的写数据失败  
                try {  
                    //开始一个倒数计数器   
                    if ( att.getWriteLatch()==null || att.getWriteLatch().getCount()==0) att.startWriteLatch(1);  
                    //将socket注册到辅Selector,这里poller就是BlockSelector线程  
                    poller.add(att,SelectionKey.OP_WRITE);  
                    //阻塞,直至超时时间唤醒,或者在还没有达到超时时间,在BlockSelector中唤醒  
                    att.awaitWriteLatch(writeTimeout,TimeUnit.MILLISECONDS);  
                }catch (InterruptedException ignore) {  
                    Thread.interrupted();  
                }  
                if ( att.getWriteLatch()!=null && att.getWriteLatch().getCount()> 0) {  
                    keycount = 0;  
                }else {  
                    //还没超时就唤醒,说明网络状态恢复,继续下一次循环,完成写socket  
                    keycount = 1;  
                    att.resetWriteLatch();  
                }  
  
                if (writeTimeout > 0 && (keycount == 0))  
                    timedout = (System.currentTimeMillis() - time) >= writeTimeout;  
            } //while  
            if (timedout)   
                throw new SocketTimeoutException();  
        } finally {  
            poller.remove(att,SelectionKey.OP_WRITE);  
            if (timedout && key != null) {  
                poller.cancelKey(socket, key);  
            }  
        }  
        return written;  
    }  

也就是说当socket.write()返回0时,说明网络状态不稳定,这时将socket注册OP_WRITE事件到辅Selector,由BlockPoller线程不断轮询这个辅Selector,直到发现这个socket的写状态恢复了,通过那个倒数计数器,通知Worker线程继续写socket动作。

看一下BlockSelector线程的逻辑;

public void run() {  
            while (run) {  
                try {  
                    ......  
  
                    Iterator iterator = keyCount > 0 ? selector.selectedKeys().iterator() : null;  
                    while (run && iterator != null && iterator.hasNext()) {  
                        SelectionKey sk = (SelectionKey) iterator.next();  
                        KeyAttachment attachment = (KeyAttachment)sk.attachment();  
                        try {  
                            attachment.access();  
                            iterator.remove(); ;  
                            sk.interestOps(sk.interestOps() & (~sk.readyOps()));  
                            if ( sk.isReadable() ) {  
                                countDown(attachment.getReadLatch());  
                            }  
                            //发现socket可写状态恢复,将倒数计数器置位,通知Worker线程继续  
                            if (sk.isWritable()) {  
                                countDown(attachment.getWriteLatch());  
                            }  
                        }catch (CancelledKeyException ckx) {  
                            if (sk!=null) sk.cancel();  
                            countDown(attachment.getReadLatch());  
                            countDown(attachment.getWriteLatch());  
                        }  
                    }//while  
                }catch ( Throwable t ) {  
                    log.error("",t);  
                }  
            }  
            events.clear();  
            try {  
                selector.selectNow();//cancel all remaining keys  
            }catch( Exception ignore ) {  
                if (log.isDebugEnabled())log.debug("",ignore);  
            }  
        }  

使用这个辅Selector主要是减少线程间的切换,同时还可减轻主Selector的负担。以上描述了NIO connector工作的主要逻辑,可以看到在设计上还是比较精巧的。NIO connector还有一块就是Comet,有时间再说吧。需要注意的是,上面从Acceptor开始,有很多对象的封装,NioChannel及其KeyAttachment,PollerEvent和SocketProcessor对象,这些不是每次都重新生成一个新的,都是NioEndpoint分别维护了它们的对象池;

ConcurrentLinkedQueue<SocketProcessor> processorCache = new ConcurrentLinkedQueue<SocketProcessor>()  
ConcurrentLinkedQueue<KeyAttachment> keyCache = new ConcurrentLinkedQueue<KeyAttachment>()  
ConcurrentLinkedQueue<PollerEvent> eventCache = new ConcurrentLinkedQueue<PollerEvent>()  
ConcurrentLinkedQueue<NioChannel> nioChannels = new ConcurrentLinkedQueue<NioChannel>()  

当需要这些对象时,分别从它们的对象池获取,当用完后返回给相应的对象池,这样可以减少因为创建及GC对象时的性能消耗

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