Tomcat 8.0的并发优化

Tomcat并发量与其配置息息相关, 一般的机器几百的并发量足矣, 如果设置太高可能引发各种问题, 内存、网络等问题也能在高并发下暴露出来, 因此, 配置参数的设置非常重要.

1 Tomcat的3种运行模式

1.1 BIO - 同步阻塞IO模式

BIO, 同步阻塞IO, 性能低, 没有经过任何优化处理和支持.

服务器实现模式为一个连接一个线程, 即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理, 如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销, 当然可以通过 线程池 机制改善.

适用场景: BIO方式适用于连接数比较小且固定的架构, 这种方式对服务器资源要求比较高, 有并发局限, JDK1.4之前的唯一选择.

1.2 NIO - 同步非阻塞IO模式

是Java SE 1.4及后续版本提供的一种新的IO操作方式(即java.nio包及其子包). Java NIO是一个基于缓冲区、并能提供非阻塞IO操作的Java API, 因此NIO也被看成是non-blocking IO(非阻塞式IO)的缩写, 它拥有比传统BIO操作更好的并发性能.

服务器实现模式为一个请求一个线程, 即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上, 多路复用器轮询到连接有IO请求时才启动一个线程进行处理.

适用场景: 适用于连接数较多且连接比较时间短(轻操作)的架构, 比如聊天服务器. 这种方式的并发性能局限于应用中, 编程比较复杂.

目前Tomcat 8.x默认运行在NIO模式下.

1.3 APR - 可移植运行时模式

APR(Apache Portable Runtime, Apache可移植运行时), 是Apache HTTP服务器的一个支持库, 它提供了一组映射到底层操作系统的API, 如果操作系统不支持特定功能, APR库将提供仿真. 因此开发人员可以使用APR使程序真正跨平台移植.

此模式的安装步骤比较繁琐, 但却从操作系统层面解决了异步IO的问题, 能大幅度提高应用性能.

APR的本质是使用 JNI 技术调用操作系统底层的IO接口, 所以需要提前安装必要的依赖, 具体方式后续给出.

2 Tomcat的并发配置(配置Connector)

Tomcat的Connector是其接收HTTP请求的关键模块, 可以通过它来指定IO处理模式, 指定处理该Connector接收到的请求的线程数, 以及其他常用的HTTP策略.

配置路径: 在 ${TOMCAT_HOME}/conf/server.xml 文件的节点中进行配置.

2.1 使用线程池处理请求

使用线程池, 通过较少的线程资源来处理更多的请求, 从而提高Tomcat的请求处理能力.

前提: 要提前配置至少一个线程池来处理请求, 配置文件为${TOMCAT_HOME}/conf/server.xml.

其中Executor与Connector同级, 多个Connector可以使用同一个线程池来处理请求.

(1) 参考默认连接池配置:

<Executor name="tomcatThreadPool" namePrefix="catalina-exec-"
          maxThreads="150" minSpareThreads="4"/>

(2) 自定义线程池示例:

<Executor name="tomcatThreadPool" namePrefix="catalina-exec-" 
          maxThreads="200" minSpareThreads="10" maxIdleTime="600000" 
          prestartminSpareThreads="true" maxQueueSize="100"  /> 

(3) 线程池参数说明:

name: 线程池名称.
namePrefix: 创建的每个线程的名称前缀, 单独的线程名称为 namePrefix + threadNumber.
maxThreads: 线程池中最大并发线程数, 默认值为200, 一般建议设置400~ 800 , 要根据服务器配置和业务需求而定.
minSpareThreads: 最小活跃线程数, 也就是核心线程数, 不会被销毁, 会一直存在.
prestartminSpareThreads: 是否在启动程序时就生成minSpareThreads个线程, 默认为false, 即不启动. 若不设置为true, 则minSpareThreads的设置就不起作用了.
maxIdleTime: 线程最大空闲时间, 超过该时间后, 空闲线程会被销毁, 默认值为6000, 单位为毫秒.
maxQueueSize: 最大的等待队列数, 超过则拒绝请求. 默认值为int类型的最大值(Integer.MAX_VALUE), 等同于无限大. 一般不作修改, 避免发生部分请求未能被处理的情况.
threadPriority: 线程池中线程的优先级, 默认值为5, 取值范围: 1 ~ 10.
className：线程池的实现类, 未指定情况下, 默认实现类为 org.apache.catalina.core.StandardThreadExecutor. 要自定义线程池就需要实现 org.apache.catalina.Executor 接口.

2.2 在Connector中使用线程池

Connector是Tomcat接收请求的入口, 每个Connector都有自己专属的监听端口.

  <Connector executor="tomcatThreadPool" 
             port="8080" protocol="HTTP/1.1" 
             connectionTimeout="20000" 
             redirectPort="8443" />

(1) Connector的参数说明:

redirectPort="8443" # 基于SSL的端口, 在需要基于安全通道的场合, 比如当客户端的请求协议是HTTPS时, 将该请求转发到此端口.

minSpareThreads="25" # Tomcat连接器的最小空闲Socket线程数, 默认值为25. 如果当前没有空闲线程, 且没有超过maxThreads, 将一次性创建的空闲线程数量. Tomcat初始化时创建的线程数量也是此值.

maxSpareThreads="75" # 最大空闲线程数, 一旦创建的线程超过此值, Tomcat就会关闭不再需要的Socket线程, 默认值为50. 线程数可以大致用 "同时在线用户数、用户每秒操作次数、系统平均操作时间" 来计算.

keepAliveTimeout="6000" # 下次请求到来之前, Tomcat保持该连接6000ms.

maxKeepAliveRequests="10" # 该连接最大支持的请求数, 超过该请求数的连接也将被关闭(此时就会返回一个Connection: close头给客户端). 1表示禁用长连接, -1表示不限制连接个数, 默认为100, 一般设置在100~200之间.

acceptorThreadCount="1" # 用于接收连接的线程的数量, 默认值是1. 一般如果服务器是多核CPU时, 需要改配置为 2.

enableLookups="false" # 是否支持反查域名(即DNS解析), 默认为true. 为提高处理能力, 应设置为false.

disableUploadTimeout="true" # 上传时是否启用超时机制, 若为true, 则禁用上传超时.

connectionTimeout="20000" # 网络连接超时时间, 默认值为20000ms, 设置为0表示永不超时 —— 存在隐患. 通常可设置为30000ms.

URIEncoding="UTF-8" # 指定Tomcat容器的URL编码格式.

maxHttpHeaderSize="8192" # HTTP请求头信息的最大程度, 超过此长度的部分不予处理. 一般设置为8K即可.

maxPostSize="10485760" # 指定POST请求的内容大小, 单位为Byte, 默认大小为2097152(2MB), 10485760为10M. 如果要禁用限制, 可设置为-1.

compression="on" # 打开传输时压缩功能.

compressionMinSize="10240" # 启用压缩的输出内容大小, 默认为2048, 即2KB.

noCompressionUserAgents="gozilla, traviata" # 设置不启用压缩的浏览器

compressableMimeType="text/html,text/xml,text/javascript,text/css,text/plain" # 压缩的资源类型

(2) 补充说明:

① Tomcat 的压缩是在客户端请求服务器对应资源后, 从服务器端将资源文件压缩, 再输出到客户端, 由客户端的浏览器负责解压缩并浏览. 相对于普通的浏览过程(如浏览HTML、CSS、Javascript和Text), 它可以节省40%左右的流量. 更为重要的是, 它也可以对动态生成的网页(包括CGI、PHP、JSP、ASP、Servlet、SHTML等)进行压缩.

② 需要注意的是, 压缩会增加Tomcat的负担, 最好采用 Nginx + Tomcat 或 Apache + Tomcat 方式, 将压缩交由 Nginx / Apache 去完成. 在server.xml的节点配置(尚未验证使用):

• <Service name="Catalina" /> --- 处理所有直接由Tomcat服务器接收的web客户请求.
• <Service name="Apache" /> --- 处理所有由Apahce服务器转发过来的Web客户请求.
• <Service name="Nginx" /> --- 处理所有由Nginx服务器转发过来的Web客户端请求.

2.2 使用NIO模式处理请求

(1) 默认配置 - BlockingIO模型:

<Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1" 
           connectionTimeout="20000" 
           redirectPort="8443" />

(2) 关于NIO的说明:

• 每个Web客户端请求对服务器端来说就是一个单独的线程, 客户端请求数量增多, 服务器端的处理线程数量也将增加, 对CPU而言, 将会在线程切换上消耗更多的时间. 而NIO则是使用单线程(单个CPU)或只使用少量的多线程(多CPU)来接受Socket, 而由线程池来处理堵塞在 Pipe 或 Queue 中的请求. 这样的话, 只要OS可以接受TCP连接, Web服务器就可以处理该请求 -- 大大提高了Web服务器的伸缩性.
• Tomcat 8 下使用 NIO2, 即 org.apache.coyote.http11.Http11Nio2Protocol 更优.
• Tomcat 6、7 下使用 NIO, 即 org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol 更优.

(3) NIO模型配置:

<Connector executor="tomcatThreadPool" 
           port="8080" protocol="org.apache.coyote.http11.Http11Nio2Protocol"
           connectionTimeout="20000" 
           redirectPort="8443" 
           maxPostSize="10485760" 
           acceptorThreadCount="2" />

(4) 参数说明:

executor="..."  # 连接器使用的线程池名称. 
port="..."      # 连接端口, URL中指定此端口进行访问.  
protocol="..."  # 连接器使用的请求处理模式.  
redirectPort="8443"   # 基于SSL的端口, 在需要基于安全通道的场合, 比如当客户端的请求协议是HTTPS时, 将该请求转发到此8443端口. 

2.3 使用APR模式处理请求

可以简单地将APR模式理解为，Tomcat将以JNI的形式调用Apache HTTP服务器的核心动态链接库, 进行文件读取或网络传输操作, 从而大大地提高Tomcat对静态文件的处理性能.

APR是Tomcat上运行高并发应用的首选模式, 同时如果使用HTTPS方式传输, 也可以提升SSL的处理性能.

前面已经提到, APR模式会调用操作系统底层的IO接口, 所以需要安装必要的依赖.

(1) 安装OpenSSL:

安装命令如下:

yum -y install openssl-devel

(2) 安装APR组件:

• 第一步: 下载apr与apr-util安装包:
  下载地址: http://apr.apache.org/download.cgi. 这里下载apr-1.6.3.tar.gz和apr-util-1.6.1.tar.gz, 然后将安装包上传至服务器, 这里上传至 /usr/local 目录下.

• 第二步: 安装apr:

  cd /usr/local
  tar -zxf apr-1.6.3.tar.gz
  cd apr-1.6.3
  # 配置安装路径
  ./configure --prefix=/usr/local/apr
  # 编译安装
  make
  make install

• 第三步: 安装apr-util:

  cd /usr/local
  tar -zxf apr-util-1.6.1.tar.gz
  cd apr-util-1.6.1
  # 配置安装路径
  ./configure --prefix=/usr/local/apr-util--with-apr=/usr/local/apr
  # 编译安装
  make
  make install

  错误提示:

  可能出现gcc依赖没有安装的错误, 可通过 yum install gcc 命令安装.

  如果make过程中出错, 解决错误后重新安装前需要执行清理: make clean, 然后再次尝试make及make install过程.

  如果抛出 xml/apr_xml.c:35:19: error: expat.h: No such file or directory, 说明缺少了expat库, 可执行下属命令安装: yum install expat-devel.

• 第四步: 配置环境变量:

  上面安装完后设置下环境变量:
  export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/usr/local/apr/lib

  或者, 将/usr/local/apr/lib包路径添加到/etc/ld.so.conf文件中:
  echo "/usr/local/apr/lib" >> /etc/ld.so.conf

(3) 安装tomcat-native组件:

tomcat-native组件可以看作是Tomcat与APR交互的中间环节.

• 第一步: 下载并解压native安装包:

  前往 ${TOMCAT_HOME}/bin 目录下找到tomcat-native.tar.gz, 也可前往官网(http://tomcat.apache.org/download-native.cgi)下载其他版本, 推荐使用Tomcat自带的版本, 兼容性有更大保证.

  解压tomcat-native组件并安装, 或上传自己下载的native组件至服务器后, 再执行下述过程:

   cd /usr/local/tomcat/bin/
   tar -zxf tomcat-native.tar.gz
   cd tomcat-native-1.2.14-src/native/

  注意: 1.1.x版本中的目录是tomcat-native-1.1.x-src/jni/native.

• 第二步: 安装组件:

  # 配置安装参数, 其中java-home可使用默认环境变量中的配置
  ./configure --with-apr=/usr/local/apr --with-ssl=yes
  make
  make install

(4) Tomcat整合APR:

• 第一步: 修改启动脚本catalina.sh:
  在${TOMCAT_HOME}/bin/catalina.sh 文件的 cygwin=false 前(110行左右)加入下述启动参数:

  JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -Djava.library.path=/usr/local/apr/lib"

• 第二步: 修改容器配置文件server.xml:

  查看 ${TOMCAT_HOME}/conf/server.xml 文件, 确保如下监听器没有被注释掉:

  <Listener className="org.apache.catalina.core.AprLifecycleListener" SSLEngine="on" />

• 修改Connector选项:

  <Connector port="8443" 
              protocol="org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol" 
              maxThreads="150" SSLEnabled="true" >
  </Connector>

(5) 验证配置是否成功:

启动Tomcat, 在 ${TOMCAT_HOME}/logs/catalina.out 文件中查看日志信息:

• 如果出现下述内容, 说明APR组件安装不成功:

  Sep 14, 2018 19:11:20 PM org.apache.catalina.core.AprLifecycleListener init 
  INFO: The APR based Apache Tomcat Native library which allows optimal performance in production environments was not found on the java.library.path:...

• 如果出现下述内容, 说明APR组件安装成功:

  Sep 14, 2018 19:19:47 PM org.apache.catalina.core.AprLifecycleListener init
  INFO: Loaded APR based Apache Tomcat Native library 1.1.27 using APR version 1.6.3.
  Sep 14, 2018 19:19:47 PM org.apache.catalina.core.AprLifecycleListener init
  INFO: APR capabilities: IPv6 [true], sendfile [true], accept filters [false], random [true].
  Sep 14, 2018 19:19:47 PM org.apache.catalina.core.AprLifecycleListener initializeSSL
  INFO: OpenSSL successfully initialized (OpenSSL 1.0.1e-fips 11 Feb 2013)
  Sep 14, 2018 19:19:47 PM org.apache.coyote.AbstractProtocol init
  INFO: Initializing ProtocolHandler ["http-apr-8080"]
  Sep 14, 2018 19:19:47 PM org.apache.coyote.AbstractProtocol init
  INFO: Initializing ProtocolHandler ["ajp-apr-8009"]

• Tomcat通过APR模式成功启动:

  Sep 14, 2018 19:19:56 PM org.apache.coyote.AbstractProtocol start
  INFO: Starting ProtocolHandler ["http-apr-8986"]
  Sep 14, 2018 19:19:56 PM org.apache.coyote.AbstractProtocol start
  INFO: Starting ProtocolHandler ["ajp-apr-8915"]
  Sep 14, 2018 19:19:56 PM org.apache.catalina.startup.Catalina start
  INFO: Server startup in 9421 ms

3 配置AJP连接器

AJP(Apache JServer Protocol)是为 Tomcat 与 HTTP 服务器之间通信而定制的协议, 能提供较高的通信速度和效率.

与案例说明: AJP v13 协议是面向包的, Web服务器和Servlet容器通过TCP连接来交互, 为了节省 创建Socket的昂贵代价, Web服务器会尝试维护一个永久的TCP连接到Servlet容器, 并在多个请求与响应周期过程内重用该TCP连接.

如果使用Apache架构, 就要用AJP连接器, 当Apache接收到动态网页请求时, 通过在配置中指定的端口号将请求发送给在此端口号上监听的AJP连接器组件.

如果不使用Tomcat + Apache, 而是用其他架构, 如Tomcat + Nginx, 就需要注销掉该连接器.

<!-- <Connector port="8009" protocol="AJP/1.3" redirectPort="8443" />  -->