Tomcat如何使用執行緒池處理遠端併發請求
Tomcat如何使用執行緒池處理遠端併發請求
通過了解學習tomcat如何處理併發請求，瞭解到執行緒池，鎖，佇列，unsafe類，下面的主要程式碼來自
java-jre：
sun.misc.Unsafe
java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor
java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.Worker
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedLongSynchronizer
java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue
tomcat:
org.apache.tomcat.util.net.NioEndpoint
org.apache.tomcat.util.threads.ThreadPoolExecutor
org.apache.tomcat.util.threads.TaskThreadFactory
org.apache.tomcat.util.threads.TaskQueue
ThreadPoolExecutor
是一個執行緒池實現類，管理執行緒，減少執行緒開銷，可以用來提高任務執行效率，
構造方法中的引數有
public ThreadPoolExecutor( int corePoolSize, int maximumPoolSize, long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, ThreadFactory threadFactory, RejectedExecutionHandler handler) { }
corePoolSize 是核心執行緒數
maximumPoolSize 是最大執行緒數
keepAliveTime 非核心執行緒最大空閒時間（超過時間終止）
unit 時間單位
workQueue 佇列，當任務過多時，先存放在佇列
threadFactory 執行緒工廠，建立執行緒的工廠
handler 決絕策略，當任務數過多，佇列不能再存放任務時，該如何處理，由此物件去處理。這是個介面，你可以自定義處理方式
ThreadPoolExecutor在Tomcat中http請求的應用
此執行緒池是tomcat用來在接收到遠端請求後，將每次請求單獨作為一個任務去處理，每次呼叫execute(unnable)
初始化
org.apache.tomcat.util.net.NioEndpoint
NioEndpoint初始化的時候，建立了執行緒池
public void createExecutor() {
internalExecutor = true;
TaskQueue taskqueue = new TaskQueue();
//TaskQueue無界佇列，可以一直新增，因此handler 等同於無效
TaskThreadFactory tf = new TaskThreadFactory(getName() + "-exec-", daemon, getThreadPriority());
executor = new ThreadPoolExecutor(getMinSpareThreads(), getMaxThreads(), 60, TimeUnit.SECONDS,taskqueue, tf);
taskqueue.setParent( (ThreadPoolExecutor) executor);
}
線上程池建立時，呼叫prestartAllCoreThreads(), 初始化核心工作執行緒worker，並啟動
public int prestartAllCoreThreads() {
int n = 0;
while (addWorker(null, true))
++n;
return n;
}
當addWorker 數量等於corePoolSize時，addWorker(null,ture)會返回false,停止worker工作執行緒的建立
提交任務到佇列
每次客戶端過來請求（http），就會提交一次處理任務，
worker 從佇列中獲取任務執行，下面是任務放入佇列的邏輯程式碼
ThreadPoolExecutor.execute(Runnable) 提交任務：
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
int c = ctl.get();
// worker數 是否小於 核心執行緒數 tomcat中初始化後，一般不滿足第一個條件，不會addWorker
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// workQueue.offer(command)，將任務新增到佇列，
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
int recheck = ctl.get();
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
workQueue.offer(command) 完成了任務的提交(在tomcat處理遠端http請求時)。
workQueue.offer
TaskQueue 是 BlockingQueue 具體實現類，workQueue.offer(command)實際程式碼：
public boolean offer(E e) {
if (e == null) throw new NullPointerException();
final AtomicInteger count = this.count;
if (count.get() == capacity)
return false;
int c = -1;
Node<E> node = new Node<E>(e);
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
putLock.lock();
try {
if (count.get() < capacity) {
enqueue(node); //此處將任務新增到佇列
c = count.getAndIncrement();
if (c + 1 < capacity)
notFull.signal();
}
} finally {
putLock.unlock();
}
if (c == 0)
signalNotEmpty();
return c >= 0;
}
// 新增任務到佇列
/**
* Links node at end of queue.
*
* @param node the node
*/
private void enqueue(Node<E> node) {
// assert putLock.isHeldByCurrentThread();
// assert last.next == null;
last = last.next = node; //連結串列結構 last.next = node; last = node
}
之後是worker的工作，worker在run方法中通過去getTask()獲取此處提交的任務，並執行完成任務。
執行緒池如何處理新提交的任務
新增worker之後，提交任務，因為worker數量達到corePoolSize，任務都會將放入佇列，而worker的run方法則是迴圈獲取佇列中的任務（不為空時），
worker run方法：
/** Delegates main run loop to outer runWorker */
public void run() {
runWorker(this);
}
迴圈獲取佇列中的任務
runWorker(worker)方法 迴圈部分程式碼：
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
w.unlock(); // allow interrupts
boolean completedAbruptly = true;
try {
while (task != null || (task = getTask()) != null) { //迴圈獲取佇列中的任務
w.lock(); // 上鎖
try {
// 執行前處理
beforeExecute(wt, task);
// 佇列中的任務開始執行
task.run();
// 執行後處理
afterExecute(task, thrown);
} finally {
task = null;
w.completedTasks++;
w.unlock(); // 釋放鎖
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
task.run()執行任務
鎖運用
ThreadPoolExecutor 使用鎖主要保證兩件事情，
1.給佇列新增任務，保證其他執行緒不能操作佇列
2.獲取佇列的任務，保證其他執行緒不能同時操作佇列
給佇列新增任務上鎖
public boolean offer(E e) {
if (e == null) throw new NullPointerException();
final AtomicInteger count = this.count;
if (count.get() == capacity)
return false;
int c = -1;
Node<E> node = new Node<E>(e);
final ReentrantLock putLock = this.putLock;
putLock.lock(); //上鎖
try {
if (count.get() < capacity) {
enqueue(node);
c = count.getAndIncrement();
if (c + 1 < capacity)
notFull.signal();
}
} finally {
putLock.unlock(); //釋放鎖
}
if (c == 0)
signalNotEmpty();
return c >= 0;
}
獲取佇列任務上鎖
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
// ...省略
for (;;) {
try {
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take(); //獲取佇列中一個任務
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
timedOut = false;
}
}
}
public E take() throws InterruptedException {
E x;
int c = -1;
final AtomicInteger count = this.count;
final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
takeLock.lockInterruptibly(); // 上鎖
try {
while (count.get() == 0) {
notEmpty.await(); //如果佇列中沒有任務，等待
}
x = dequeue();
c = count.getAndDecrement();
if (c > 1)
notEmpty.signal();
} finally {
takeLock.unlock(); // 釋放鎖
}
if (c == capacity)
signalNotFull();
return x;
}
volatile
在併發場景這個關鍵字修飾成員變數很常見，
主要目的公共變數在被某一個執行緒修改時，對其他執行緒可見（實時）
sun.misc.Unsafe 高併發相關類
執行緒池使用中，有平凡用到Unsafe類，這個類在高併發中，能做一些原子CAS操作，鎖執行緒，釋放執行緒等。
sun.misc.Unsafe 類是底層類，openjdk原始碼中有
原子操作資料
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer 類中就有保證原子操作的程式碼
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// See below for intrinsics setup to support this
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
對應Unsafe類的程式碼:
//對應的java底層，實際是native方法，對應C++程式碼
/**
* Atomically update Java variable to <tt>x</tt> if it is currently
* holding <tt>expected</tt>.
* @return <tt>true</tt> if successful
*/
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
int expected,
int x);
方法的作用簡單來說就是 更新一個值，保證原子性操作
當你要操作一個物件o的一個成員變數offset時,修改o.offset，
高併發下為保證準確性，你在操作o.offset的時候，讀應該是正確的值，並且中間不能被別的執行緒修改來保證高併發的環境資料操作有效。
即 expected 期望值與記憶體中的值比較是一樣的expected == 記憶體中的值 ，則更新值為 x，返回true代表修改成功
否則，期望值與記憶體值不同，說明值被其他執行緒修改過，不能更新值為x，並返回false，告訴操作者此次原子性修改失敗。
阻塞和喚醒執行緒
public native void park(boolean isAbsolute, long time); //阻塞當前執行緒
執行緒池的worker角色迴圈獲取佇列任務，如果佇列中沒有任務，worker.run 還是在等待的，不會退出執行緒，程式碼中用了notEmpty.await() 中斷此worker執行緒，放入一個等待執行緒佇列（區別去任務佇列）；當有新任務需要時，再notEmpty.signal()喚醒此執行緒
底層分別是
unsafe.park() 阻塞當前執行緒
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
unsafe.unpark() 喚醒執行緒
public native void unpark(Object thread);
這個操作是對應的，阻塞時，先將thread放入佇列，喚醒時，從佇列拿出被阻塞的執行緒，unsafe.unpark(thread)喚醒指定執行緒。
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedLongSynchronizer.ConditionObject 類中
通過連結串列存放執行緒資訊
// 新增一個阻塞執行緒
private Node addConditionWaiter() {
Node t = lastWaiter;
// If lastWaiter is cancelled, clean out.
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
unlinkCancelledWaiters();
t = lastWaiter;
}
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
if (t == null)
firstWaiter = node;
else
t.nextWaiter = node;
lastWaiter = node; //將新阻塞的執行緒放到連結串列尾部
return node;
}
// 拿出一個被阻塞的執行緒
public final void signal() {
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
Node first = firstWaiter; //連結串列中第一個阻塞的執行緒
if (first != null)
doSignal(first);
}
// 拿到後，喚醒此執行緒
final boolean transferForSignal(Node node) {
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}
public static void unpark(Thread thread) {
if (thread != null)
UNSAFE.unpark(thread);
}