一、I/O复用模型解读

Tomcat的NIO是基于I/O复用来实现的。对这点一定要清楚，不然我们的讨论就不在一个逻辑线上。下面这张图学习过I/O模型知识的一般都见过，出自《UNIX网络编程》，I/O模型一共有阻塞式I/O，非阻塞式I/O，I/O复用(select/poll/epoll)，信号驱动式I/O和异步I/O。这篇文章讲的是I/O复用。

IO复用.png

这里先来说下用户态和内核态，直白来讲，如果线程执行的是用户代码，当前线程处在用户态，如果线程执行的是内核里面的代码，当前线程处在内核态。更深层来讲，操作系统为代码所处的特权级别分了4个级别。不过现代操作系统只用到了0和3两个级别。0和3的切换就是用户态和内核态的切换。更详细的可参照《深入理解计算机操作系统》。I/O复用模型，是同步非阻塞，这里的非阻塞是指I/O读写，对应的是recvfrom操作，因为数据报文已经准备好，无需阻塞。说它是同步，是因为，这个执行是在一个线程里面执行的。有时候，还会说它又是阻塞的，实际上是指阻塞在select上面，必须等到读就绪、写就绪等网络事件。有时候我们又说I/O复用是多路复用，这里的多路是指N个连接，每一个连接对应一个channel，或者说多路就是多个channel。复用，是指多个连接复用了一个线程或者少量线程(在Tomcat中是Math.min(2,Runtime.getRuntime().availableProcessors()))。

上面提到的网络事件有连接就绪，接收就绪，读就绪，写就绪四个网络事件。I/O复用主要是通过Selector复用器来实现的，可以结合下面这个图理解上面的叙述。

Selector图解.png

二、TOMCAT对IO模型的支持

tomcat支持IO类型图.png

tomcat从6以后开始支持NIO模型，实现是基于JDK的java.nio包。这里可以看到对read body 和response body是Blocking的。关于这点在第6.3节源代码阅读有重点介绍。

三、TOMCAT中NIO的配置与使用

在Connector节点配置protocol="org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol"，Http11NioProtocol协议下默认最大连接数是10000，也可以重新修改maxConnections的值，同时我们可以设置最大线程数maxThreads，这里设置的最大线程数就是Excutor的线程池的大小。在BIO模式下实际上是没有maxConnections，即使配置也不会生效，BIO模式下的maxConnections是保持跟maxThreads大小一致，因为它是一请求一线程模式。

四、NioEndpoint组件关系图解读

tomcatnio组成.png

我们要理解tomcat的nio最主要就是对NioEndpoint的理解。它一共包含LimitLatch、Acceptor、Poller、SocketProcessor、Excutor5个部分。LimitLatch是连接控制器，它负责维护连接数的计算，nio模式下默认是10000，达到这个阈值后，就会拒绝连接请求。Acceptor负责接收连接，默认是1个线程来执行，将请求的事件注册到事件列表。有Poller来负责轮询，Poller线程数量是cpu的核数Math.min(2,Runtime.getRuntime().availableProcessors())。由Poller将就绪的事件生成SocketProcessor同时交给Excutor去执行。Excutor线程池的大小就是我们在Connector节点配置的maxThreads的值。在Excutor的线程中，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。详细源代码可以参照 第6.3节。

五、NioEndpoint执行序列图

tomcatnio序列图.png

在下一小节NioEndpoint源码解读中我们将对步骤1-步骤11依次找到对应的代码来说明。

六、NioEndpoint源码解读

6.1、初始化

无论是BIO还是NIO，开始都会初始化连接限制，不可能无限增大，NIO模式下默认是10000。

public void startInternal() throws Exception {          if (!running) {             //省略代码...             initializeConnectionLatch();             //省略代码...         }     } protected LimitLatch initializeConnectionLatch() {         if (maxConnections==-1) return null;         if (connectionLimitLatch==null) {             connectionLimitLatch = new LimitLatch(getMaxConnections());         }         return connectionLimitLatch;     } 

6.2、步骤解读

下面我们着重叙述跟NIO相关的流程，共分为11个步骤，分别对应上面序列图中的步骤。
步骤1：绑定IP地址及端口，将ServerSocketChannel设置为阻塞。
这里为什么要设置成阻塞呢，我们一直都在说非阻塞。Tomcat的设计初衷主要是为了操作方便。这样这里就跟BIO模式下一样了。只不过在BIO下这里返回的是Socket，NIO下这里返回的是SocketChannel。

public void bind() throws Exception {          //省略代码...         serverSock.socket().bind(addr,getBacklog());         serverSock.configureBlocking(true);          //省略代码...         selectorPool.open();     } 

步骤2：启动接收线程

public void startInternal() throws Exception {          if (!running) {             //省略代码...             startAcceptorThreads();         }     }  //这个方法实际是在它的超类AbstractEndpoint里面     protected final void startAcceptorThreads() {         int count = getAcceptorThreadCount();         acceptors = new Acceptor[count];          for (int i = 0; i < count; i++) {             acceptors[i] = createAcceptor();             Thread t = new Thread(acceptors[i], getName() + "-Acceptor-" + i);             t.setPriority(getAcceptorThreadPriority());             t.setDaemon(getDaemon());             t.start();         }     }    

步骤3：ServerSocketChannel.accept()接收新连接

protected class Acceptor extends AbstractEndpoint.Acceptor {          @Override         public void run() {             while (running) {                                  try {                     //省略代码...                     SocketChannel socket = null;                     try {                                                 socket = serverSock.accept();//接收新连接                     } catch (IOException ioe) {                         //省略代码...                         throw ioe;                     }                     //省略代码...                     if (running && !paused) {                         if (!setSocketOptions(socket)) {                             //省略代码...                         }                     } else {                         //省略代码...                     }                 } catch (SocketTimeoutException sx) {                                      } catch (IOException x) {                     //省略代码...                 } catch (OutOfMemoryError oom) {                     //省略代码...                 } catch (Throwable t) {                     //省略代码...                 }             }                     }     } 

步骤4：将接收到的链接通道设置为非阻塞
步骤5：构造NioChannel对象
步骤6：register注册到轮询线程

protected boolean setSocketOptions(SocketChannel socket) {                  try {                          socket.configureBlocking(false);//将连接通道设置为非阻塞             Socket sock = socket.socket();             socketProperties.setProperties(sock);              NioChannel channel = nioChannels.poll();//构造NioChannel对象             //省略代码...             getPoller0().register(channel);//register注册到轮询线程         } catch (Throwable t) {            //省略代码...         }         //省略代码...     } 

步骤7：构造PollerEvent，并添加到事件队列

protected ConcurrentLinkedQueue<Runnable> events = new ConcurrentLinkedQueue<Runnable>(); public void register(final NioChannel socket)         {             //省略代码...             PollerEvent r = eventCache.poll();             //省略代码...             addEvent(r);         } 

步骤8：启动轮询线程

public void startInternal() throws Exception {          if (!running) {             //省略代码...             // Start poller threads             pollers = new Poller[getPollerThreadCount()];             for (int i=0; i<pollers.length; i++) {                 pollers[i] = new Poller();                 Thread pollerThread = new Thread(pollers[i], getName() + "-ClientPoller-"+i);                 pollerThread.setPriority(threadPriority);                 pollerThread.setDaemon(true);                 pollerThread.start();             }             //省略代码...         }     } 

步骤9：取出队列中新增的PollerEvent并注册到Selector

public static class PollerEvent implements Runnable {          //省略代码...          @Override         public void run() {             if ( interestOps == OP_REGISTER ) {                 try {                     socket.getIOChannel().register(socket.getPoller().getSelector(), SelectionKey.OP_READ, key);                 } catch (Exception x) {                     log.error("", x);                 }             } else {                 //省略代码...             }//end if         }//run         //省略代码...     } 

步骤10：Selector.select()

public void run() {             // Loop until destroy() is called             while (true) {                 try {                     //省略代码...                     try {                         if ( !close ) {                             if (wakeupCounter.getAndSet(-1) > 0) {                                 keyCount = selector.selectNow();                             } else {                                 keyCount = selector.select(selectorTimeout);                             }                             //省略代码...                         }                         //省略代码...                     } catch ( NullPointerException x ) {                         //省略代码...                     } catch ( CancelledKeyException x ) {                         //省略代码...                     } catch (Throwable x) {                         //省略代码...                     }                     //省略代码...                      Iterator<SelectionKey> iterator =                         keyCount > 0 ? selector.selectedKeys().iterator() : null;                                          while (iterator != null && iterator.hasNext()) {                         SelectionKey sk = iterator.next();                         KeyAttachment attachment = (KeyAttachment)sk.attachment();                                                  if (attachment == null) {                             iterator.remove();                         } else {                             attachment.access();                             iterator.remove();                             processKey(sk, attachment);//此方法跟下去就是把SocketProcessor交给Excutor去执行                         }                     }//while                      //省略代码...                 } catch (OutOfMemoryError oom) {                     //省略代码...                 }             }//while             //省略代码...         } 

步骤11：根据选择的SelectionKey构造SocketProcessor提交到请求处理线程

public boolean processSocket(NioChannel socket, SocketStatus status, boolean dispatch) {         try {             //省略代码...             SocketProcessor sc = processorCache.poll();             if ( sc == null ) sc = new SocketProcessor(socket,status);             else sc.reset(socket,status);             if ( dispatch && getExecutor()!=null ) getExecutor().execute(sc);             else sc.run();         } catch (RejectedExecutionException rx) {             //省略代码...         } catch (Throwable t) {             //省略代码...         }         //省略代码...     } 

6.3、NioBlockingSelector和BlockPoller介绍

上面的序列图有个地方我没有描述，就是NioSelectorPool这个内部类，是因为在整体理解tomcat的nio上面在序列图里面不包括它更好理解。在有了上面的基础后，我们在来说下NioSelectorPool这个类，对更深层了解Tomcat的NIO一定要知道它的作用。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。代码如下：

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线程的代码逻辑：

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。

七、关于性能

下面这份报告是我们压测的一个结果，跟想象的是不是不太一样？几乎没有差别，实际上NIO优化的是I/O的读写，如果瓶颈不在这里的话，比如传输字节数很小的情况下，BIO和NIO实际上是没有差别的。NIO的优势更在于用少量的线程hold住大量的连接。还有一点，我们在压测的过程中，遇到在NIO模式下刚开始的一小段时间内容，会有错误，这是因为一般的压测工具是基于一种长连接，也就是说比如模拟1000并发，那么同时建立1000个连接，下一时刻再发送请求就是基于先前的这1000个连接来发送，还有TOMCAT的NIO处理是有POLLER线程来接管的，它的线程数一般等于CPU的核数，如果一瞬间有大量并发过来，POLLER也会顿时处理不过来。

压测1.jpeg

压测2.jpeg

八、总结

NIO只是优化了网络IO的读写，如果系统的瓶颈不在这里，比如每次读取的字节说都是500b，那么BIO和NIO在性能上没有区别。NIO模式是最大化压榨CPU，把时间片都更好利用起来。对于操作系统来说，线程之间上下文切换的开销很大，而且每个线程都要占用系统的一些资源如内存，有关线程资源可参照这篇文章《一台java服务器可以跑多少个线程》。因此，使用的线程越少越好。而I/O复用模型正是利用少量的线程来管理大量的连接。在对于维护大量长连接的应用里面更适合用基于I/O复用模型NIO，比如web qq这样的应用。所以我们要清楚系统的瓶颈是I/O还是CPU的计算。

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参考资料：
http://tomcat.apache.org/tomcat-7.0-doc/config/http.html
http://gearever.iteye.com/blog/1844203
《Tomcat内核设计剖析》
《深入理解计算机操作系统》
《UNIX网络编程》卷1