Tomcat Connector的BIO与NIO模式的比较及区别

系统管理员 2022-09-05 12:55 188阅读 0赞

> 详细介绍了Tomcat的Connector组件的BIO和NIO模式以及工作流程。

上一篇文章：[Tomcat的核心组件以及server.xml配置全解【一万字】][Tomcat_server.xml]中，我们简单介绍了Connector组件的几种模式，现在我们比较详细的介绍Connector组件的BIO和NIO模式以及工作流程。

# 1 BIO的connector #

BIO的connector实现架构如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzc2NzAxNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

在BIO的connector实现中，主要采用org.apache.coyote.http11.Http11Protocol处理请求，Http11Protocol包含了JIoEndpoint对象及Http11ConnectionHandler对象。

JIoEndpoint维护了两个线程池，Acceptor及Worker。**Acceptor是接收socket连接，然后从Worker线程池中找出空闲的线程处理socket，如果worker线程池没有空闲线程，则Acceptor将阻塞。Worker线程拿到socket后，就从Http11Processor对象池中获取Http11Processor对象，进一步处理。** Worker线程池是默认线程池，我们前面也介绍了可以自己配置Executor标签并引用为工作线程池！

1.  Http11ConnectionHandler对象维护了一个Http11Processor对象池，Http11Processor对象会解析socket中的http request并封装到Request对象中（这个Request是临时使用的一个类，它的全类名是org.apache.coyote.Request），并创建org.apache.coyote.Request。
2.  随后调用org.apache.catalina.connector.CoyoteAdapter继续完成解析，构造org.apache.catalina.connector.Request和Response对象，并且通过connector.getService().getContainer().getPipeline().getFirst().invoke(request, response)将请求转发发给对应的Container（Engine，也就是Servlet容器)。
3.  然后就是另一个流程了，即Engine->Host->Context->Wrapper的处理流程，即Engine找到对应的Web应用并且调用对应的Servlet方法，然后将response通过socket发回client。注意这些操作也都是在Worker线程中完成的。

# 2 NIO的connector #

NIO的connector实现架构如下，比BIO的实现更加复杂：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzc2NzAxNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

在NIO的connector实现中，主要采用org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol处理请求，Http11NioProtocol包含了NioEndpoint对象及Http11ConnectionHandler对象。

NioEndpoint主要包括Acceptor、Poller、Worker组件，如图所示，NioEndpoint的主要流程：

![在这里插入图片描述][20210114231203335.jpg_pic_center]

NioEndpoint中的Acceptor线程用于从Accept队列中接收socket连接，在接收socket方面还是传统的serverSocket.accept()方式，也就是`阻塞式`的，可以设置多个Accepter线程，这一点和BIO一致。将会获得SocketChannel对象，然后封装在一个tomcat的实现类org.apache.tomcat.util.net.NioChannel对象中。然后将NioChannel对象封装在一个PollerEvent对象中，并将PollerEvent对象压入`events queue队列`里。

`这里是个典型的生产者-消费者模式`，Acceptor与Poller线程之间通过events queue队列通信，Acceptor是events queue的生产者，Poller是events queue的消费者。

`Poller线程是NIO实现的主要线程`，可以有多个Poller线程。Poller线程中维护了一个Selector对象，tomcat的“NIO”就是基于这个Selector来完成逻辑的。Poller从events queue中取出PollerEvent对象，然后将此对象中的channel以OP\_READ事件注册到主Selector中，然后Selector执行select操作，遍历出可以读数据的socket（触发OP\_READ事件），并从Worker线程池中拿到可用的Worker线程，然后将socket传递给Worker。整个过程是典型的NIO实现。

Worker在获取到从Poller传过来的socket后，将socket封装在SocketProcessor对象中。然后从Http11ConnectionHandler中取出Http11NioProcessor对象，从Http11NioProcessor中调用CoyoteAdapter的逻辑，`随后的实现跟BIO的实现一样都是阻塞式的并且是Worker线程来做的。`

在架构中，NioEndpoint对象中还维护了一个NioSelectPool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，`主要处理阻塞的读写操作，比如用于读取socket请求体的数据和通过response往socket中写数据`。

当数据（请求体）不可读的时候的时候(客户端数据未发送完毕)，会注册封装的 OPEN\_READ 事件到 BlockPoller 线程中，然后阻塞当前线程(一般为tomcat io线程)，如果OPEN\_READ 事件触发，那么将会唤醒阻塞的线程。对于响应数据（响应头和响应体）的写入由 tomcat io 线程进行，当数据不可写的时候(原始 socket 发送缓冲区满)，会注册封装的 OPEN\_WRITE 事件对象到 BlockPoller 线程中，然后阻塞当前线程，如果OPEN\_WRITE事件触发，那么将会唤醒阻塞的线程。这里的当前线程一般就是Worker线程。BlockPoller主要用于减少Poller的压力！

**根据上面的内容我们知道，tomcat的NIO connector并非完全是非阻塞的，有的部分，例如Acceptor接收socket，从socket中读、写数据等，还是阻塞模式实现的。只是在将Acceptor获取的socket交给Worker线程的时候由于采用了多路复用模型而是非阻塞的，只有当新的请求到来时才会交给Worker线程，并且请求处理完毕立即释放，而在BIO中，Acceptor每获取一个socket连接就必须马上要一个Worker线程来处理，否则Acceptor线程阻塞！**

# 3 总结 #

`对于BIO的connector`，即同步阻塞，tomcat服务器实现模式为一个连接一个Worker线程，即客户端有连接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（比如后续的请求并没有到来，或者请求完毕连接还没有释放）会造成不必要的线程开销，非常消耗资源。**BIO的connector在最新tomcat8.5及其之后的版本已经移除支持了。**

`对于NIO的connector`，即同步非阻塞，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Selector上，多路复用器轮询到连接有I/O请求事件时才会启动一个Worker线程进行处理，请求处理完毕之后Worker线程马上释放。

**为什么NIO可以处理10000个socket连接？** 目前大多数HTTP请求使用的是长连接（HTTP/1.1默认keep-alive为true），而长连接意味着，一个TCP的socket在当前请求结束后，如果没有新的请求到来，socket不会立马释放，而是等timeout后再释放。如果使用BIO，“读取socket并交给Worker中的线程”这个过程是阻塞的，也就意味着在socket等待下一个请求或等待释放的过程中，处理这个socket的Worker工作线程会一直被占用，无法释放；因此tomcat可以同时处理的socket数目实际上是不能超过最大线程数的，性能受到了极大限制。而使用NIO，“读取socket并交给Worker中的线程”这个过程是非阻塞的，当socket在等待请求到来或等待释放时，并不会占用工作线程，因此tomcat基于Secoter的IO多路复用机制的可以使得同时处理的socket数目远大于最大线程数，并发性能大大提高。

**下面是Tomcat官方对于Connector的描述和对比：**

这是BIO和NIO和APR的对比（https://tomcat.apache.org/tomcat-7.0-doc/config/http.html）：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzc2NzAxNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

这是NIO和NIO2和APR的对比（http://tomcat.apache.org/tomcat-8.5-doc/config/http.html）：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzc2NzAxNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

可以发现，BIO和NIO在真正的读取和响应数据的时候都是阻塞的（Read Request Body和Write Response Headers and Body），而NIO由于采用多路复用模型，在等待下一次请求的时候（Wait for next Request）是非阻塞的，除此外之外，我们还发现，NIO在读取请求头的时候（Read Request Headers），同样是非阻塞的，为什么呢？

BIO的Read Request Headers是阻塞的，是因为其没有Poller这个I/O多路复用机制，而是直接拿线程池的Worker线程去获取请求头，所以其是阻塞的，因为此时请求数据可能还在进行网卡到操作系统内核缓冲区的传输，并没有真正的到来。

而NIO的Read Request Headers之所以是非阻塞的，是因为通过SocketChannel.read()方法去读取请求头和请求行信息的，读取不到会立即返回，由 poll 线程继续监测下次数据的到来。而NIO对于请求体的读取是阻塞的读取，如果发现请求体数据不可读，那么首先注册封装的 OP\_READ 事件到 BlockPoller 对象实例的事件队列里，然后阻塞此Worker线程。

**参考资料：**

1.  [Apache Tomcat 8 Configuration Reference][]
2.  [深入理解-Tomcat-(二)-从宏观上理解-Tomcat-组件及架构][-Tomcat-_-_-Tomcat-]
3.  [深度解读Tomcat中的NIO模型][Tomcat_NIO]
4.  [详解tomcat的连接数与线程池][tomcat]

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[Apache Tomcat 8 Configuration Reference]: http://tomcat.apache.org/tomcat-8.5-doc/config/server.html
[-Tomcat-_-_-Tomcat-]: https://thinkinjava.cn/2017/11/18/2017/2017-11-18-%E6%B7%B1%E5%85%A5%E7%90%86%E8%A7%A3-Tomcat-%28%E4%BA%8C%29-%E4%BB%8E%E5%AE%8F%E8%A7%82%E4%B8%8A%E7%90%86%E8%A7%A3-Tomcat-%E7%BB%84%E4%BB%B6%E5%8F%8A%E6%9E%B6%E6%9E%84/
[Tomcat_NIO]: https://www.jianshu.com/p/76ff17bc6dea
[tomcat]: https://www.cnblogs.com/kismetv/p/7806063.html