关于tomcat:请求量突增一下系统有效QPS为何下降很多

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原创：扣钉日记（微信公众号 ID：codelogs），欢送分享，转载请保留出处。

简介

最近我察看到一个景象，当服务的申请量突发的增长一下时，服务的无效 QPS 会降落很多，有时甚至会降到 0，这种景象网上也偶有提到，但少有解释得分明的，所以这里来分享一下问题成因及解决方案。

队列提早

目前的 Web 服务器，如 Tomcat，申请处理过程大略都相似如下：

这是 Tomcat 申请解决的过程，如下：

  1. Acceptor 线程：线程名相似 http-nio-8080-Acceptor-0，此线程用于接管新的 TCP 连贯，并将 TCP 连贯注册到 NIO 事件中。
  2. Poller 线程：线程名相似 http-nio-8080-ClientPoller-0，此线程个别有 CPU 核数个，用于轮询已连贯的 Socket，接管新到来的 Socket 事件（如调用端发申请数据了），并将沉闷 Socket 放入 exec 线程池的申请队列中。
  3. exec 线程：线程名相似 http-nio-8080-exec-0，此线程从申请队列中取出沉闷 Socket，并读出申请数据，最初执行申请的 API 逻辑。

这里不必太关怀 Acceptor 与Poller线程，这是 nio 编程时常见的线程模型，咱们将重点放在 exec 线程池上，尽管 Tomcat 做了一些优化，但它还是从 Java 原生线程池扩大进去的，即有一个工作队列与一组线程。

当申请量突发增长时，会产生如下的状况：

  1. 当申请量不大时，工作队列根本是空的，每个申请都能失去及时的解决。
  2. 但当申请量突发时，工作队列中就会有很多申请，这时排在队列前面的申请，就会被解决得越晚，因此申请的整体耗时就会变长，甚至十分长。

可是，exec 线程们还是在一刻不停歇的解决着申请的呀，按理说服务 QPS 是不会缩小的呀！

简略想想的确如此，但调用端个别是有超时工夫设置的，不会有限期待上来，当客户端期待超时的时候，这个申请实际上 Tomcat 就不必再解决了，因为就算解决了，客户端也不会再去读响应数据的。

因而，当队列比拟长时，队列前面的申请，基本上都是不必再解决的，但 exec 线程池不晓得啊，它还是会判若两人地解决这些申请。

当 exec 线程执行这些已超时的申请时，若又有新申请进来，它们也会排在队尾，这导致这些新申请也会超时，所以在流量突发的这段时间内，申请的无效 QPS 会降落很多，甚至会降到 0。

这种超时也叫做队列提早，但队列在软件系统中利用得太宽泛了，比方操作系统调度器保护了线程队列，TCP 中有 backlog 连贯队列，锁中保护了期待队列等等。

因而，很多零碎也会存在这种景象，平时响应工夫挺稳固的，但偶然耗时很高，这种状况有很多都是队列提早导致的。

优化队列提早

晓得了问题产生的起因，要优化它就比较简单了，咱们只须要让队列中那些长时间未解决的申请临时让路，让线程去执行那些等待时间不长的申请即可，毕竟这些长时间未解决的申请，让它们再等等也无防，因为客户端可能曾经超时了而不须要申请后果了，尽管这毁坏了队列的公平性，但这是咱们须要的。

对于 Tomcat，在 springboot 中，咱们能够如下批改：
应用 WebServerFactoryCustomizer 自定义 Tomcat 的线程池，如下：

@Component
public class TomcatExecutorCustomizer implements WebServerFactoryCustomizer<TomcatServletWebServerFactory> {
    @Resource
    ServerProperties serverProperties;

    @Override
    public void customize(TomcatServletWebServerFactory factory) {
        TomcatConnectorCustomizer tomcatConnectorCustomizer = connector -> {ServerProperties.Tomcat.Threads threads = serverProperties.getTomcat().getThreads();
            TaskQueue taskqueue = new SlowDelayTaskQueue(1000);
            ThreadPoolExecutor executor = new org.apache.tomcat.util.threads.ThreadPoolExecutor(threads.getMinSpare(), threads.getMax(), 60L, TimeUnit.SECONDS,
                    taskqueue, new CustomizableThreadFactory("http-nio-8080-exec-"));
            taskqueue.setParent(executor);
            ProtocolHandler handler = connector.getProtocolHandler();
            if (handler instanceof AbstractProtocol) {AbstractProtocol<?> protocol = (AbstractProtocol<?>) handler;
                protocol.setExecutor(executor);
            }
        };
        factory.addConnectorCustomizers(tomcatConnectorCustomizer);
    }
}

留神，这里还是应用的 Tomcat 实现的线程池，只是将工作队列 TaskQueue 扩大为了 SlowDelayTaskQueue，它的作用是将长时间未解决的工作移到另一个慢队列中，待以后队列中无工作时，再把慢队列中的工作移回来。

为了能记录工作入队列的工夫，先封装了一个记录时间的工作类 RecordTimeTask，如下：

@Getter
public class RecordTimeTask implements Runnable {
    private Runnable run;
    private long createTime;
    private long putQueueTime;

    public RecordTimeTask(Runnable run){
        this.run = run;
        this.createTime = System.currentTimeMillis();
        this.putQueueTime = this.createTime;
    }
    @Override
    public void run() {run.run();
    }

    public void resetPutQueueTime() {this.putQueueTime = System.currentTimeMillis();
    }

    public long getPutQueueTime() {return this.putQueueTime;}
}

而后队列的扩大实现如下：

public class SlowDelayTaskQueue extends TaskQueue {
    private long timeout;
    private BlockingQueue<RecordTimeTask> slowQueue;

    public SlowDelayTaskQueue(long timeout) {
        this.timeout = timeout;
        this.slowQueue = new LinkedBlockingQueue<>();}

    @Override
    public boolean offer(Runnable o) {
        // 将工作包装一下，目标是为了记录工作放入队列的工夫
        if (o instanceof RecordTimeTask) {return super.offer(o);
        } else {return super.offer(new RecordTimeTask(o));
        }
    }

    public void pullbackIfEmpty() {
        // 如果队列空了，从慢队列中取回来一个
        if (this.isEmpty()) {RecordTimeTask r = slowQueue.poll();
            if (r == null) {return;}
            r.resetPutQueueTime();
            this.add(r);
        }
    }

    @Override
    public Runnable poll(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {pullbackIfEmpty();
        while (true) {RecordTimeTask task = (RecordTimeTask) super.poll(timeout, unit);
            if (task == null) {return null;}
            // 申请在队列中长时间期待，移入慢队列中
            if (System.currentTimeMillis() - task.getPutQueueTime() > this.timeout) {this.slowQueue.offer(task);
                continue;
            }
            return task;
        }
    }

    @Override
    public Runnable take() throws InterruptedException {pullbackIfEmpty();
        while (true) {RecordTimeTask task = (RecordTimeTask) super.take();
            // 申请在队列中长时间期待，移入慢队列中
            if (System.currentTimeMillis() - task.getPutQueueTime() > this.timeout) {this.slowQueue.offer(task);
                continue;
            }
            return task;
        }
    }
}

逻辑其实挺简略的，如下：

  1. 当工作入队列时，包装一下工作，记录一下入队列的工夫。
  2. 而后线程从队列中取出工作时，若发现工作等待时间过长，就将其移入慢队列。
  3. 而 pullbackIfEmpty 的逻辑，就是当队列为空时，再将慢队列中的工作移回来执行。

为了将申请的队列提早记录在 access.log 中，我又批改了一下 Task，并加了一个 Filter，如下：

  1. 应用 ThreadLocal 将队列提早先存起来

    @Getter
public class RecordTimeTask implements Runnable {private static final ThreadLocal<Long> WAIT_IN_QUEUE_TIME = new ThreadLocal<>();

 private Runnable run;
 private long createTime;
 private long putQueueTime;
 public RecordTimeTask(Runnable run){
     this.run = run;
     this.createTime = System.currentTimeMillis();
     this.putQueueTime = this.createTime;
 }
 @Override
 public void run() {
     try {WAIT_IN_QUEUE_TIME.set(System.currentTimeMillis() - this.createTime);
         run.run();} finally {WAIT_IN_QUEUE_TIME.remove();
     }
 }

 public void resetPutQueueTime() {this.putQueueTime = System.currentTimeMillis();
 }

 public long getPutQueueTime() {return this.putQueueTime;}

 public static long getWaitInQueueTime(){return ObjectUtils.defaultIfNull(WAIT_IN_QUEUE_TIME.get(), 0L);
 }
}

  2. 再在 Filter 中将队列提早取出来，放入 Request 对象中

    @WebFilter
@Component
public class WaitInQueueTimeFilter extends HttpFilter {

 @Override
 public void doFilter(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, FilterChain chain) throws
                                                                                                   IOException,
                                                                                                   ServletException {long waitInQueueTime = RecordTimeTask.getWaitInQueueTime();
     // 将等待时间设置到 request 的 attribute 中，给 access.log 应用
     request.setAttribute("waitInQueueTime", waitInQueueTime);

     // 如果申请在队列中期待了太长时间，客户端大概率已超时，就没有必要再执行了
     if (waitInQueueTime > 5000) {response.sendError(503, "service is busy");
         return;
     }
     chain.doFilter(request, response);
 }

}

  3. 而后在 access.log 中配置队列提早

    server:
  tomcat:
 accesslog:
   enabled: true
   directory: /home/work/logs/applogs/java-demo
   file-date-format: .yyyy-MM-dd
   pattern: '%h %l %u %t"%r"%s %b %Dms %{waitInQueueTime}rms"%{Referer}i""%{User-Agent}i" "%{X-Forwarded-For}i"'

    留神，在 access.log 中配置 %{xxx}r 示意取申请 xxx 属性的值，所以，%{waitInQueueTime}r就是队列提早，前面的 ms 是毫秒单位。

优化成果

我应用接口压测工具 wrk 压了一个测试接口，此接口执行工夫 100ms，应用 1000 个并发去压，1s 的超时工夫，如下：

wrk -d 10d -T1s --latency http://localhost:8080/sleep -c 1000

而后，用 arthas 看一下线程池的队列长度，如下：

[arthas@619]$ vmtool --action getInstances \
    --classLoaderClass org.springframework.boot.loader.LaunchedURLClassLoader \
    --className org.apache.tomcat.util.threads.ThreadPoolExecutor \
    --express 'instances.{#{"ActiveCount":getActiveCount(),"CorePoolSize":getCorePoolSize(),"MaximumPoolSize":getMaximumPoolSize(),"QueueSize":getQueue().size()} }' \
    -x 2

能够看到，队列长度远小于 1000，这阐明队列中积压得不多。

再看看 access.log，如下：

能够发现，尽管队列提早任然存在，但被管制在了 1s 以内，这样这些申请就不会超时了，Tomcat 的无效 QPS 保住了。

而最初面那些队列提早极长的申请，则是被不偏心看待的申请，但只能这么做，因为在申请量超出 Tomcat 解决能力时，只能就义掉它们，以顾全大局。

正文完
tomcat
发表至： tomcat
2023-01-16
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