詳解 Tomcat 的串連數與線程池

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前言

在使用tomcat時，經常會遇到串連數、線程數之類的配置問題，要真正理解這些概念，必須先瞭解Tomcat的連接器（Connector）。

在前面的文章 詳解Tomcat設定檔server.xml 中寫到過：Connector的主要功能，是接收串連請求，建立Request和Response對象用於和請求端交換資料；然後分配線程讓Engine（也就是Servlet容器）來處理這個請求，並把產生的Request和Response對象傳給Engine。當Engine處理完請求後，也會通過Connector將響應返回給用戶端。

可以說，Servlet容器處理請求，是需要Connector進行調度和控制的，Connector是Tomcat處理請求的主幹，因此Connector的配置和使用對Tomcat的效能有著重要的影響。這篇文章將從Connector入手，討論一些與Connector有關的重要問題，包括NIO/BIO模式、線程池、串連數等。

根據協議的不同，Connector可以分為HTTP Connector、AJP Connector等，本文只討論HTTP Connector。

一、Nio、Bio、APR1、Connector的protocol

Connector在處理HTTP請求時，會使用不同的protocol。不同的Tomcat版本支援的protocol不同，其中最典型的protocol包括BIO、NIO和APR（Tomcat7中支援這3種，Tomcat8增加了對NIO2的支援，而到了Tomcat8.5和Tomcat9.0，則去掉了對BIO的支援）。

BIO是Blocking IO，顧名思義是阻塞的IO；NIO是Non-blocking IO，則是非阻塞的IO。而APR是Apache Portable Runtime，是Apache可移植運行庫，利用本地庫可以實現高可擴充性、高效能；Apr是在Tomcat上運行高並發應用的首選模式，但是需要安裝apr、apr-utils、tomcat-native等包。

2、如何指定protocol

Connector使用哪種protocol，可以通過<connector>元素中的protocol屬性進行指定，也可以使用預設值。

指定的protocol取值及對應的協議如下：

• HTTP/1.1：預設值，使用的協議與Tomcat版本有關
• org.apache.coyote.http11.Http11Protocol：BIO
• org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol：NIO
• org.apache.coyote.http11.Http11Nio2Protocol：NIO2
• org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol：APR

如果沒有指定protocol，則使用預設值HTTP/1.1，其含義如下：在Tomcat7中，自動選取使用BIO或APR（如果找到APR需要的本地庫，則使用APR，否則使用BIO）；在Tomcat8中，自動選取使用NIO或APR（如果找到APR需要的本地庫，則使用APR，否則使用NIO）。

3、BIO/NIO有何不同

無論是BIO，還是NIO，Connector處理請求的大致流程是一樣的：

在accept隊列中接收串連（當用戶端向伺服器發送請求時，如果用戶端與OS完成三向交握建立了串連，則OS將該串連放入accept隊列）；在串連中擷取請求的資料，產生request；調用servlet容器處理請求；返回response。為了便於後面的說明，首先明確一下串連與請求的關係：串連是TCP層面的（傳輸層），對應socket；請求是HTTP層面的（應用程式層），必須依賴於TCP的串連實現；一個TCP串連中可能傳輸多個HTTP請求。

在BIO實現的Connector中，處理請求的主要實體是JIoEndpoint對象。JIoEndpoint維護了Acceptor和Worker：Acceptor接收socket，然後從Worker線程池中找出閒置線程處理socket，如果worker線程池沒有空閑線程，則Acceptor將阻塞。其中Worker是Tomcat內建的線程池，如果通過<Executor>配置了其他線程池，原理與Worker類似。

在NIO實現的Connector中，處理請求的主要實體是NIoEndpoint對象。NIoEndpoint中除了包含Acceptor和Worker外，還是用了Poller，處理流程如所示（圖片來源：http://gearever.iteye.com/blog/1844203）。

Acceptor接收socket後，不是直接使用Worker中的線程處理請求，而是先將請求發送給了Poller，而Poller是實現NIO的關鍵。Acceptor向Poller發送請求通過隊列實現，使用了典型的生產者-消費者模式。在Poller中，維護了一個Selector對象；當Poller從隊列中取出socket後，註冊到該Selector中；然後通過遍曆Selector，找出其中可讀的socket，並使用Worker中的線程處理相應請求。與BIO類似，Worker也可以被自訂的線程池代替。

通過上述過程可以看出，在NIoEndpoint處理請求的過程中，無論是Acceptor接收socket，還是線程處理請求，使用的仍然是阻塞方式；但在“讀取socket並交給Worker中的線程”的這個過程中，使用非阻塞的NIO實現，這是NIO模式與BIO模式的最主要區別（其他區別對效能影響較小，暫時略去不提）。而這個區別，在並發量較大的情形下可以帶來Tomcat效率的顯著提升：

目前大多數HTTP請求使用的是長串連（HTTP/1.1預設keep-alive為true），而長串連意味著，一個TCP的socket在當前請求結束後，如果沒有新的請求到來，socket不會立馬釋放，而是等timeout後再釋放。如果使用BIO，“讀取socket並交給Worker中的線程”這個過程是阻塞的，也就意味著在socket等待下一個請求或等待釋放的過程中，處理這個socket的背景工作執行緒會一直被佔用，無法釋放；因此Tomcat可以同時處理的socket數目不能超過最大線程數，效能受到了極大限制。而使用NIO，“讀取socket並交給Worker中的線程”這個過程是非阻塞的，當socket在等待下一個請求或等待釋放時，並不會佔用背景工作執行緒，因此Tomcat可以同時處理的socket數目遠大於最大線程數，並發效能大大提高。

二、3個參數：acceptCount、maxConnections、maxThreads

再回顧一下Tomcat處理請求的過程：在accept隊列中接收串連（當用戶端向伺服器發送請求時，如果用戶端與OS完成三向交握建立了串連，則OS將該串連放入accept隊列）；在串連中擷取請求的資料，產生request；調用servlet容器處理請求；返回response。

相對應的，Connector中的幾個參數功能如下：

1、acceptCount

accept隊列的長度；當accept隊列中串連的個數達到acceptCount時，隊列滿，進來的請求一律被拒絕。預設值是100。

2、maxConnections

Tomcat在任意時刻接收和處理的最大串連數。當Tomcat接收的串連數達到maxConnections時，Acceptor線程不會讀取accept隊列中的串連；這時accept隊列中的線程會一直阻塞著，直到Tomcat接收的串連數小於maxConnections。如果設定為-1，則串連數不受限制。

預設值與連接器使用的協議有關：NIO的預設值是10000，APR/native的預設值是8192，而BIO的預設值為maxThreads（如果配置了Executor，則預設值是Executor的maxThreads）。

在windows下，APR/native的maxConnections值會自動調整為設定值以下最大的1024的整數倍；如設定為2000，則最大值實際是1024。

3、maxThreads

請求處理線程的最大數量。預設值是200（Tomcat7和8都是的）。如果該Connector綁定了Executor，這個值會被忽略，因為該Connector將使用綁定的Executor，而不是內建的線程池來執行任務。

maxThreads規定的是最大的線程數目，並不是實際running的CPU數量；實際上，maxThreads的大小比CPU核心數量要大得多。這是因為，處理請求的線程真正用於計算的時間可能很少，大多數時間可能在阻塞，如等待資料庫返回資料、等待硬碟讀寫資料等。因此，在某一時刻，只有少數的線程真正的在使用物理CPU，大多數線程都在等待；因此線程數遠大於物理核心數才是合理的。

換句話說，Tomcat通過使用比CPU核心數量多得多的線程數，可以使CPU忙碌起來，大大提高CPU的利用率。

4、參數設定

（1）maxThreads的設定既與應用的特點有關，也與伺服器的CPU核心數量有關。通過前面介紹可以知道，maxThreads數量應該遠大於CPU核心數量；而且CPU核心數越大，maxThreads應該越大；應用中CPU越不密集（IO越密集），maxThreads應該越大，以便能夠充分利用CPU。當然，maxThreads的值並不是越大越好，如果maxThreads過大，那麼CPU會花費大量的時間用於線程的切換，整體效率會降低。

（2）maxConnections的設定與Tomcat的運行模式有關。如果tomcat使用的是BIO，那麼maxConnections的值應該與maxThreads一致；如果tomcat使用的是NIO，那麼類似於Tomcat的預設值，maxConnections值應該遠大於maxThreads。

（3）通過前面的介紹可以知道，雖然tomcat同時可以處理的串連數目是maxConnections，但伺服器中可以同時接收的串連數為maxConnections+acceptCount 。acceptCount的設定，與應用在串連過高情況下希望做出什麼反應有關係。如果設定過大，後面進入的請求等待時間會很長；如果設定過小，後面進入的請求立馬返回connection refused。

三、線程池Executor

Executor元素代表Tomcat中的線程池，可以由其他組件共用使用；要使用該線程池，組件需要通過executor屬性指定該線程池。

Executor是Service元素的內嵌元素。一般來說，使用線程池的是Connector組件；為了使Connector能使用線程池，Executor元素應該放在Connector前面。Executor與Connector的配置舉例如下：

12	<Executor name="tomcatThreadPool" namePrefix ="catalina-exec-" maxThreads="150" minSpareThreads="4" /><Connector executor="tomcatThreadPool" port="8080" protocol="HTTP/1.1" connectionTimeout="20000" redirectPort="8443" acceptCount="1000" />

Executor的主要屬性包括：

• name：該線程池的標記
• maxThreads：線程池中最大活躍線程數，預設值200（Tomcat7和8都是）
• minSpareThreads：線程池中保持的最小線程數，最小值是25
• maxIdleTime：線程閒置最大時間，當空閑超過該值時關閉線程（除非線程數小於minSpareThreads），單位是ms，預設值60000（1分鐘）
• daemon：是否後台線程，預設值true
• threadPriority：線程優先順序，預設值5
• namePrefix：線程名字的首碼，線程池中線程名字為：namePrefix+線程編號

四、查看目前狀態

上面介紹了Tomcat串連數、線程數的概念以及如何設定，下面說明如何查看伺服器中的串連數和線程數。

查看伺服器的狀態，大致分為兩種方案：（1）使用現成的工具，（2）直接使用Linux的命令查看。

現成的工具，如JDK內建的jconsole工具可以方便的查看線程資訊（此外還可以查看CPU、記憶體、類、JVM基本資料等），Tomcat內建的manager，收費工具New Relic等。是jconsole查看線程資訊的介面：

下面說一下如何通過Linux命令列，查看伺服器中的串連數和線程數。

1、串連數

假設Tomcat接收http請求的連接埠是8083，則可以使用如下語句查看串連情況：

1	netstat –nat | grep 8083

結果如下所示：

可以看出，有一個串連處於listen狀態，監聽請求；除此之外，還有4個已經建立的串連（ESTABLISHED）和2個等待關閉的串連（CLOSE_WAIT）。

2、線程

ps命令可以查看進程狀態，如執行如下命令：

1	ps –e | grep java

結果如：

可以看到，只列印了一個進程的資訊；27989是線程id，java是指執行的java命令。這是因為啟動一個tomcat，內部所有的工作都在這一個進程裡完成，包括主線程、記憶體回收線程、Acceptor線程、請求處理線程等等。

通過如下命令，可以看到該進程內有多少個線程；其中，nlwp含義是number of light-weight process。

1	ps –o nlwp 27989

可以看到，該進程內部有73個線程；但是73並沒有排除處於idle狀態的線程。要想獲得真正在running的線程數量，可以通過以下陳述式完成：

1	ps -eLo pid ,stat | grep 27989 | grep running | wc -l

其中ps -eLo pid ,stat可以找出所有線程，並列印其所在的進程號和線程當前的狀態；兩個grep命令分別篩選進程號和線程狀態；wc統計個數。其中，ps -eLo pid ,stat | grep 27989輸出的結果如下：

圖中只了部分結果；Sl表示大多數線程都處於空閑狀態。

參考文獻

• Tomcat 7.0官方文檔
• Tomcat 8.0官方文檔
• Tomcat 8.5官方文檔
• Tomcat maxThreads maxConnections acceptCount參數說明
• tomcat架構分析(connector BIO 實現)
• tomcat架構分析 (connector NIO 實現)
• Why is the tomcat default thread pool size so large?
• Howto find Tomcat current thread count

詳解 Tomcat 的串連數與線程池