单机百万连接调优和Netty应用级别调优

作者：Grey

原文地址：单机百万连接调优和Netty应用级别调优

说明

本文为深度解析Netty源码的学习笔记。

单机百万连接调优

准备两台Linux服务器，一个充当服务端，一个充当客户端。

服务端

• 操作系统：CentOS 7

• 配置：4核8G

• IP:192.168.118.138

客户端

• 操作系统：CentOS 7

• 配置：4核8G

• IP:192.168.118.139

服务端和客户端均要配置java环境，基于jdk1.8。

如何模拟百万连接

如果服务端只开一个端口，客户端连接的时候，端口号是有数量限制的（非root用户，从1024到65535，大约6w），所以服务端开启一个端口，客户端和服务端的连接最多6w个左右。

为了模拟单机百万连接，我们在服务端开启多个端口，例如8000~8100，一共100个端口，客户端还是6w的连接，但是可以连接服务端的不同端口，所以就可以模拟服务端百万连接的情况。

准备服务端程序

服务端程序的主要逻辑是：

绑定8000端口一直到8099端口，一共100个端口，每2s钟统计一下连接数。

channelActive触发的时候，连接+1, channelInactive触发的时候，连接-1。

代码见：Server.java

准备客户端程序

客户端程序的主要逻辑是：

循环连接服务端的端口（从8000一直到8099）。

代码见：Client.java

准备好客户端和服务端的代码后，打包成Client.jar和Server.jar并上传到客户端和服务端的/data/app目录下。打包配置参考pom.xml

服务端和客户端在/data/app下分别准备两个启动脚本，其中服务端准备的脚本为startServer.sh, 客户端准备的脚本为startClient.sh，内容如下：

startServer.sh

java -jar server.jar -Xms6.5g -Xmx6.5g -XX:NewSize=5.5g -XX:MaxNewSize=5.5g -XX:MaxDirectMemorySize=1g

startClient.sh

java -jar client.jar -Xms6.5g -Xmx6.5g -XX:NewSize=5.5g -XX:MaxNewSize=5.5g -XX:MaxDirectMemorySize=1g

脚本文件见：startServer.sh 和 startClient.sh

为了方便演示，可以先把服务端和客户端的防火墙先关闭

systemctl stop firewalld.service
systemctl disable firewalld.service

先启动服务端

cd /data/app/ 

./startServer.sh

查看日志，待服务端把100个端口都绑定好以后。

在启动客户端

cd /data/app/

./startClient.sh

然后查看服务端日志，服务端在支撑了3942个端口号以后，报了如下错误：

Caused by: java.io.IOException: Too many open files
 at sun.nio.ch.FileDispatcherImpl.init(Native Method)
 at sun.nio.ch.FileDispatcherImpl.<clinit>(FileDispatcherImpl.java:35)

突破局部文件句柄限制

使用ulimit -n命令可以查看一个jvm进程最多可以打开的文件个数，这个是局部文件句柄限制，默认是1024，我们可以修改这个值

vi /etc/security/limits.conf

增加如下两行

*               hard    nofile             1000000
*               soft    nofile             1000000

以上配置表示每个进程可以打开的最大文件数是一百万。

突破全局文件句柄限制

除了突破局部文件句柄数限制，还需要突破全局文件句柄数限制，修改如下配置文件

vi /proc/sys/fs/file-max

将这个数量修改为一百万

echo 1000000 > /proc/sys/fs/file-max

通过这种方式修改的配置在重启后失效，如果要使重启也生效，需要修改如下配置

vi /etc/sysctl.conf

在文件末尾加上

fs.file-max=1000000

服务端和客户端在调整完局部文件句柄限制和全局文件句柄限制后，需要重启一下客户端和服务端操作系统 再次启动服务端，待端口绑定完毕后，启动客户端。

查看服务端日志，可以看到，服务端单机连接数已经达到百万级别。

.....
connections: 434703
connections: 438238
connections: 441195
connections: 444082
connections: 447596
.....
connections: 920435
connections: 920437
connections: 920439
connections: 920442
connections: 920443
connections: 920445
.....

Netty应用级别调优

场景

服务端接受到客户端的数据，进行一些相对耗时的操作（比如数据库查询，数据处理），然后把结果返回给客户端。

模拟耗时操作

在服务端，模拟通过sleep方法来模拟耗时操作，规则如下：

• 在90.0%情况下，处理时间为1ms

• 在95.0%情况下，处理时间为10ms

• 在99.0%情况下，处理时间为100ms

• 在99.9%情况下，处理时间为1000ms

代码如下

protected Object getResult(ByteBuf data) {
    int level = ThreadLocalRandom.current().nextInt(1, 1000);
    int time;
    if (level <= 900) {
        time = 1;
    } else if (level <= 950) {
        time = 10;
    } else if (level <= 990) {
        time = 100;
    } else {
        time = 1000;
    }
    try {
        Thread.sleep(time);
    } catch (InterruptedException e) {
    }
    return data;
}

客户端统计QPS和AVG逻辑

获取当前时间戳，客户端在和服务端建立连接后，会每隔1s给服务端发送数据，发送的数据就是当前的时间戳，服务端获取到这个时间戳以后，会把这个时间戳再次返回给客户端，所以客户端会拿到发送时候的时间戳，然后客户端用当前时间减去收到的时间戳，就是这个数据包的处理时间，记录下这个时间，然后统计数据包发送的次数，根据这两个变量，可以求出QPS和AVG，其中：

QPS 等于 总的请求量 除以 持续到当前的时间

AVG 等于 总的响应时间除以请求总数

客户端源码参考：Client.java

服务端源码参考：Server.java

服务端在不做任何优化的情况下，关键代码如下

...
bootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
            @Override
            protected void initChannel(SocketChannel ch) {
                ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(Long.BYTES));
                ch.pipeline().addLast(/*businessGroup,*/ ServerBusinessHandler.INSTANCE);
//                ch.pipeline().addLast(ServerBusinessThreadPoolHandler.INSTANCE);
            }
        });
...

@ChannelHandler.Sharable
public class ServerBusinessHandler extends SimpleChannelInboundHandler<ByteBuf> {
    public static final ChannelHandler INSTANCE = new ServerBusinessHandler();


    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf msg) {
        ByteBuf data = Unpooled.directBuffer();
        data.writeBytes(msg);
        Object result = getResult(data);
        ctx.channel().writeAndFlush(result);
    }

    protected Object getResult(ByteBuf data) {
        int level = ThreadLocalRandom.current().nextInt(1, 1000);
        int time;
        if (level <= 900) {
            time = 1;
        } else if (level <= 950) {
            time = 10;
        } else if (level <= 990) {
            time = 100;
        } else {
            time = 1000;
        }

        try {
            Thread.sleep(time);
        } catch (InterruptedException e) {
        }

        return data;
    }

    @Override
    public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) {
        // ignore
    }
}

运行服务端和客户端，查看客户端日志

.....
qps: 1466, avg response time: 35.68182
qps: 832, avg response time: 214.28384
qps: 932, avg response time: 352.59363
qps: 965, avg response time: 384.59448
qps: 957, avg response time: 403.33804
qps: 958, avg response time: 424.5246
qps: 966, avg response time: 433.35272
qps: 980, avg response time: 484.2116
qps: 986, avg response time: 478.5395
.....

优化方案一：使用自定义线程池处理耗时逻辑

将服务端代码做如下调整

bootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
            @Override
            protected void initChannel(SocketChannel ch) {
                ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(Long.BYTES));
                //ch.pipeline().addLast(/*businessGroup,*/ ServerBusinessHandler.INSTANCE);
                ch.pipeline().addLast(ServerBusinessThreadPoolHandler.INSTANCE);
            }
        });

其中ServerBusinessThreadPoolHandler中，使用了自定义的线程池来处理耗时的getResult方法。关键代码如下：

private static ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(1000);
    @Override
    protected void channelRead0(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf msg) {
        ByteBuf data = Unpooled.directBuffer();
        data.writeBytes(msg);
        threadPool.submit(() -> {
            Object result = getResult(data);
            ctx.channel().writeAndFlush(result);
        });

    }

再次运行服务端和客户端，可以查看客户端日志，QPS和AVG指标都有明显的改善

....
qps: 1033, avg response time: 17.690498
qps: 1018, avg response time: 17.133448
qps: 1013, avg response time: 15.563113
qps: 1010, avg response time: 15.415672
qps: 1009, avg response time: 16.049961
qps: 1008, avg response time: 16.179882
qps: 1007, avg response time: 16.120466
qps: 1006, avg response time: 15.822202
qps: 1006, avg response time: 15.987518
....

实际生产过程中，Executors.newFixedThreadPool(1000);中配置的数量需要通过压测来验证。

优化方案二：使用Netty原生的线程池优化

我们可以通过Netty提供的线程池来处理耗时的Handler，这样的话，无需调整Handler的逻辑（对原有Handler无代码侵入），关键代码：

bootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
            @Override
            protected void initChannel(SocketChannel ch) {
                ch.pipeline().addLast(new FixedLengthFrameDecoder(Long.BYTES));
                // ch.pipeline().addLast(ServerBusinessHandler.INSTANCE);
                // 使用业务线程池方式
                // ch.pipeline().addLast(ServerBusinessThreadPoolHandler.INSTANCE);
                // 使用Netty自带线程池方式
                ch.pipeline().addLast(businessGroup,ServerBusinessHandler.INSTANCE);
            }
        });

其中businessGroup是Netty自带的线程池

EventLoopGroup businessGroup = new NioEventLoopGroup(1000);

ServerBusinessHandler中的所有方法，都会在businessGroup中执行。

再次启动服务端和客户端，查看客户端日志

.....
qps: 1027, avg response time: 23.833092
qps: 1017, avg response time: 20.98855
qps: 1014, avg response time: 18.220013
qps: 1012, avg response time: 17.447332
qps: 1010, avg response time: 16.502508
qps: 1010, avg response time: 15.692251
qps: 1009, avg response time: 15.968423
qps: 1008, avg response time: 15.888149
.....

更多优化建议

参考Netty性能调优奇技淫巧还有其他的吗?

1.如果QPS过高，数据传输过快的情况下，调用writeAndFlush可以考虑拆分成多次write，然后单次flush，也就是批量flush操作

2.分配和释放内存尽量在reactor线程内部做，这样内存就都可以在reactor线程内部管理

3.尽量使用堆外内存，尽量减少内存的copy操作，使用CompositeByteBuf可以将多个ByteBuf组合到一起读写

4.外部线程连续调用eventLoop的异步调用方法的时候，可以考虑把这些操作封装成一个task，提交到eventLoop，这样就不用多次跨线程

5.尽量调用ChannelHandlerContext.writeXXX()方法而不是channel.writeXXX()方法，前者可以减少pipeline的遍历

6.如果一个ChannelHandler无数据共享，那么可以搞成单例模式，标注@Shareable，节省对象开销对象

7.如果要做网络代理类似的功能，尽量复用eventLoop，可以避免跨reactor线程

源码

Github

参考资料

深度解析Netty源码