基于 Netty 如何实现高性能的 HTTP Client 的连接池

来源：http://t.cn/E4JZi48

• 1. 复用类型的选型
• 2. 组件选型
• 3. pool的设计
• 4. 面临的问题

艿艿：本文可能会有一丢丢难，但是耐心看完，收获会比较大。你可是要成为海贼王的男人。

使用netty作为http的客户端，pool又该如何进行设计。本文将会进行详细的描述。

1. 复用类型的选型

1.1 channel 复用

多个请求可以共用一个channel

模型如下：

模型

特点：

• 1：callback队列为回调队列。 不同的callback通过一个全局的id进行标识。发送的时候会把该id发到服务端，服务端在回复的时候必须把该id再返回到客户端。
• 2：获取连接只需要随机获取一个channel即可，将callback添加到队列里面。
• 3： 获取连接时消除了锁的竞争，性能高效。
• 4：结构简单。

示例：

• osp(唯品会的SOA框架) client pool实现(thrift协议)
• spray 的 akka client pool

约束：

需要服务端配合支持channel复用。需要有一个全局唯一的id用于识别请求。 通常id先发给服务端，服务端还要把id会给客户端。

1.2 channel 独享

每个请求独立使用一个channel。

模型如下：

模型

特点：

• 1：同一个channel同时只给一个request使用。
• 2：连接池的设计较为复杂。

示例：

• 1：数据库连接池[druid，c3p0，dbcp，hikaricp，caelus(唯品会内部连接池)]
• 2：netty的http pool ; apache的httpclient pool, httpasyncclient pool ; nginx的pool。

1.3 选择

由于http1.1协议原生不支持channel复用(http2是支持的)，如果需要支持，则需要在header里面加入一个唯一id，所有的应用服务器均需要进行改动。为了和nginx的连接池保持一致，确定使用channel的独享方式。

2. 组件选型

选择netty pool作为连接池的实现。4.0.33版本有该功能，可能老版本没有pool的功能。

3. pool的设计

3.1 模型

模型

通过ip,port路由到对应的pool，每个pool之间完全独立。

3.2 主要功能点

功能点

3.3 获取连接

• 1：通过控制最大连接数，来避免无限的创建连接。
• 2：当超过最大连接数时，则需要等待。由于整个流程是全异步的，需要将当前信息进行任务封装注册回调。
• 3：需要设置等待连接的个数及超时时间，避免把内存给撑爆。
• 4：需要对获取的连接进行有效性检查。一般只需校验channel.isactive()即可。如果检验失败，需要重新获取有效连接。

3.4 资源池

• 1：使用无锁的ConcurrentLinkedDeque 双向队列来存放所有idle的连接(jdk1.7才有该类)。
• 2：该队列通过cas的操作来避免同步。 由于拿到连接后业务执行的速度较慢，所以这里的cas冲突应该很小。

3.5 归还连接

归还连接

归还连接主要包含两部分：正常release和异常的forceClose

• 1：在netty中，如果收到FIN(服务端发送的正常close请求)，则会通知到netty的channelInactive接口，需要在该接口处进行forceClose.
• 2：收到RST(服务端非正常的关闭)，则会通知到exceptionCaught接口，需要在该接口处进行foreclose。关于RST的问题可参考：http://blog.csdn.net/hetaohappy/article/details/51851880
• 3：在收到正常数据后(channel的channelRead接口)，需要判断header里面是否有Connection:close，如果有，则进行forceClose，否则进行release
• 4：如果空闲超时，则关闭连接，来避免连接一直被无效的占用。只需要增加IdleStateHandler ,判断连接空闲超时，则fire一个event事件。只需要注册对该事件的监听，进行foreclose即可。
• 5：占有超时：连接在规定的时间内未还，则进行forceClose。

6：发送请求时，发现channel已经被close掉或者其他io异常，则进行forceClose。

7：forceclose接口里面，需要通过一个状态位来控制是否操作 acquiredChannelCount(已获取连接数)。由于调用forceclose，连接可能在资源池中，如果操作该字段，会导致该字段统计不准确。

3.6 超时控制

获取连接timeout

在规定的时间内没有获取到连接，则抛异常。

• 1：一般实现是通过ReentrantLock来设置lock的超时时间或者直接通过unsafe.park设置超时时间。该种机制会对当前线程进行block。
• 2：由于netty是纯异步机制，如果进行block，会严重影响性能。所以这里是将当前信息进行task封装，然后schedule一个定时任务。如果在设定时间内该task没有被消费，则会抛出timeout的异常。

建立连接timeout

• 1：在BIO中，通过设置socket的connect(SocketAddress endpoint, int timeout) 时间即可。Tips：该值不要和setSoTimeout(int timeout)混淆，sotimeout是设置调用read的超时时间。
• 2：在NIO中，需要业务自己控制连接的超时时间。 一般是通过schedule一个定时任务来控制超时时间。(在netty中即使用的该机制)

连接空闲timeout

• 1： 通过设置一个handler(IdleStateHandler ),在新建连接的时候schedule一个任务(时间为空闲超时时间)，在调用read或者write方法的时候，进行时间的更新。如果任务运行的时候发现空闲超时，则进行event的触发。
• 2：业务handler捕获该event，进行连接空闲超时的处理。

连接被占有timeout

避免连接泄露

• 1：在获取连接的时候 schedule一个任务(时间为连接被占用的timeout)，在归还的时候会cancel该任务。如果该任务被运行，说明在规定的时间没有归还，则进行timeout的处理。

3.7 性能优化

• 1：资源池无锁化：ConcurrentLinkedDeque (前面已有介绍)
• 2：acquiredChannelCount(已获取连接数)的无锁化(该字段用来控制是否达到了最大连接数，正常情况为获取连接后加1，归还连接后减1)。

连接池均会通过acquiredChannelCount来控制当前已经获取的连接个数。该参数会面临着多线程的竞争，需要进行同步或者cas的设计。如何设计让acquiredChannelCount完全不用考虑多线程竞争？

看能不能从akka的设计中找点思路： akka消除竞争的方式就是让一个actor同一时刻只能在一个线程中运行，这样actor里面所有的全局参数就不需要考虑多线程竞争，一个actor里面所有的任务都是串行执行的，完全消除竞争。

那么能不能串行操作acquiredChannelCount呢? 答案是可以的，并且在netty中实现非常简单，只需要实现如下代码即可：

if (executor.inEventLoop()) {
    acquiredChannelCount++;
 } else{
    executor.execute(newOneTimeTask() {

       @Override
       public void run() {
             acquiredChannelCount++;
       }
   }
}

其中executor 就是一个固定的线程。判定当前执行的线程是否是executor这个线程，如果是则直接执行。如果不是，则放到executor线程的队列里达到串行操作的目的(类似于actor的mailbox) (netty的设计及抽象能力确实非常高)

3.8 配置参数

• http_pool_aquire_timeout ：获取连接超时时间：默认为5000ms
• http_pool_maxConnections：连接大小：默认为1000
• http_connection_timeout ：建立连接的超时时间：默认为5000ms
• http_pool_idle_timeout：连接空闲多久关闭：默认为：30分钟
• http_pool_maxPending：连接池不够用，最大允许有多少个pendingRequest：默认为无限大
• http_pool_maxHolding：拿连接的使用时间。在规定时间未还，则强制close掉。默认为5000ms。

4. 面临的问题

• 1：所有的操作都是纯异步，导致callback嵌套的特别深(netty通过promise机制，来方便callback的使用)，如果控制不好，很容易出问题。
• 2：连接被require后，一定要保证归还，由于异步特性，很容易在某些异常下将连接漏还(笔者遇到在高并发下由于代码bug导致漏还的情况)
• 3：如何避免在拿到连接后，同时web服务器(http的keepalive机制)将该连接给close掉了，导致执行的失败。有两种解决方案可以参考。
  • 捕获执行失败的异常，如果是特定的异常，则forceClose当前的连接，重新拿一个连接进行访问。如果超过重试次数，则抛出异常。
  • 如何确定该线程定时的时间。后端web服务器对连接的超时时间可能不一致，该定时时间一定要小于web服务器的连接超时时间。
  • 心跳执行的接口问题。需要所有的web服务器均需要实现固定的接口进行心跳检测，可行性比较差。
  • 3.1：可以参考common-pool的设计思想，在后端开启一个线程定时对所有连接进行心跳检测。问题：
    • 如何确定该线程定时的时间。后端web服务器对连接的超时时间可能不一致，该定时时间一定要小于web服务器的连接超时时间。
    • 心跳执行的接口问题。需要所有的web服务器均需要实现固定的接口进行心跳检测，可行性比较差。
  • 3.2：重试机制：
    • 捕获执行失败的异常，如果是特定的异常，则forceClose当前的连接，重新拿一个连接进行访问。如果超过重试次数，则抛出异常。