学到就是赚到，面试加分项之WebServer线程池管理！

语言: CN / TW / HK
时间 2022-08-17 00:01:51

大家好，这篇文章我们来讨论一个话题，怎么去管理 SpringBoot 内置的三大 WebServer（Tomcat、Jetty、Undertow）的线程池，包括监控告警、动态调参。

不管是应对越来越卷的面试考察，还是自己项目日常性能调优，绝对有用，学到就是赚到，搬好椅子，开始我们的分析之旅。

写在前面

要想去管理第三方组件的线程池，首先肯定要对这些组件有一定的熟悉度，了解整个请求的一个处理过程，找到对应处理请求的线程池，这些线程池不一定是 JUC 包下的 ThreadPoolExecutor 类，也可能是组件自己实现的线程池，但是基本原理都差不多。

Tomcat、Jetty、Undertow 这三个 WebServer 都是这样，他们并没有直接使用 JUC 提供的线程池实现，而是自己实现了一套，或者扩展了 JUC 的实现。翻源码找到相应的目标线程池后，然后看有没有暴露 public 方法供我们调用获取，如果没有就需要考虑通过反射来获取了。

下面我们来简单分析下这三大 WebServer 的线程池内部实现。

Tomcat 内部线程池的实现

  • Tomcat 内部线程池没有直接使用 JUC 下的 ThreadPoolExecutor，而是选择继承 JUC 下的 Executor 体系类，然后重写 execute() 等方法，不同版本有差异。

1.继承 JUC 原生 ThreadPoolExecutor（9.0.50 版本及以下），并覆写了一些方法，主要 execute() 和 afterExecute()

2.继承 JUC 的 AbstractExecutorService（9.0.51 版本及以上），代码基本是拷贝 JUC 的 ThreadPoolExecutor，也相应的微调了 execute() 方法执行流程

注意 Tomcat 实现的线程池类名称也叫 ThreadPoolExecutor，名字跟 JUC 下的是一样的，Tomcat 的 ThreadPoolExecutor 类 execute() 方法如下：

public void execute(Runnable command, long timeout, TimeUnit unit) {
        submittedCount.incrementAndGet();
        try {
            super.execute(command);
        } catch (RejectedExecutionException rx) {
            if (super.getQueue() instanceof TaskQueue) {
                final TaskQueue queue = (TaskQueue)super.getQueue();
                try {
                    if (!queue.force(command, timeout, unit)) {
                        submittedCount.decrementAndGet();
                        throw new RejectedExecutionException(sm.getString("threadPoolExecutor.queueFull"));
                    }
                } catch (InterruptedException x) {
                    submittedCount.decrementAndGet();
                    throw new RejectedExecutionException(x);
                }
            } else {
                submittedCount.decrementAndGet();
                throw rx;
            }

        }
    }

可以看出他是先调用父类的 execute()方法，然后捕获 RejectedExecutionException 异常，再去判断如果任务队列类型是 TaskQueue，则尝试将任务添加到任务队列中，如果添加失败，证明队列已满，然后再执行拒绝策略，此处 submittedCount 是一个原子变量，记录提交到此线程池但未执行完成的任务数（主要在下面要提到的 TaskQueue 队列的 offer()方法用），为什么要这样设计呢？继续往下看！

  • Tomcat 定义了阻塞队列 TaskQueue 继承自 LinkedBlockingQueue，该队列主要重写了 offer()方法。
 @Override
    public boolean offer(Runnable o) {
        //we can't do any checks
        if (parent==null) return super.offer(o);
        //we are maxed out on threads, simply queue the object
        if (parent.getPoolSize() == parent.getMaximumPoolSize()) return super.offer(o);
        //we have idle threads, just add it to the queue
        if (parent.getSubmittedCount()<=(parent.getPoolSize())) return super.offer(o);
        //if we have less threads than maximum force creation of a new thread
        if (parent.getPoolSize()<parent.getMaximumPoolSize()) return false;
        //if we reached here, we need to add it to the queue
        return super.offer(o);
    }

可以看到他在入队之前做了几个判断，这里的 parent 就是所属的线程池对象

1.如果 parent 为 null，直接调用父类 offer 方法入队

2.如果当前线程数等于最大线程数，则直接调用父类 offer()方法入队

3.如果当前未执行的任务数量小于等于当前线程数，仔细思考下，是不是说明有空闲的线程呢，那么直接调用父类 offer()入队后就马上有线程去执行它

4.如果当前线程数小于最大线程数量，则直接返回 false，然后回到 JUC 线程池的执行流程回想下，是不是就去添加新线程去执行任务了呢

5.其他情况都直接入队

  • 因为 Tomcat 线程池主要是来做 IO 任务的，做这一切的目的主要也是为了以最小代价的改动更好的支持 IO 密集型的场景，JUC 自带的线程池主要是适合于 CPU 密集型的场景，可以回想一下 JUC 原生线程池 ThreadPoolExecutor#execute()方法的执行流程

1.判断如果当前线程数小于核心线程池，则新建一个线程来处理提交的任务

2.如果当前线程数大于核心线程数且队列没满，则将任务放入任务队列等待执行

3.如果当前当前线程池数大于核心线程池，小于最大线程数，且任务队列已满，则创建新的线程执行提交的任务

4.如果当前线程数等于最大线程数，且队列已满，则拒绝该任务

可以看出当当前线程数大于核心线程数时，JUC 原生线程池首先是把任务放到队列里等待执行，而不是先创建线程执行。

如果 Tomcat 接收的请求数量大于核心线程数，请求就会被放到队列中，等待核心线程处理，这样会降低请求的总体处理速度，所以 Tomcat 并没有使用 JUC 原生线程池，利用 TaskQueue 的 offer()方法巧妙的修改了 JUC 线程池的执行流程，改写后 Tomcat 线程池执行流程如下：

1.判断如果当前线程数小于核心线程池，则新建一个线程来处理提交的任务

2.如果当前当前线程池数大于核心线程池，小于最大线程数，则创建新的线程执行提交的任务

3.如果当前线程数等于最大线程数，则将任务放入任务队列等待执行

4.如果队列已满，则执行拒绝策略

  • Tomcat 核心线程池有对应的获取方法，获取方式如下
    public ExecutorWrapper doGetExecutorWrapper(WebServer webServer) {
        TomcatWebServer tomcatWebServer = (TomcatWebServer) webServer;
        return new ExecutorWrapper(POOL_NAME,
                tomcatWebServer.getTomcat().getConnector().getProtocolHandler().getExecutor());
    }
  • 想要动态调整 Tomcat 线程池的线程参数，可以在引入相应依赖后，在配置文件中添加以下配置就行，配置文件完整示例看官网
spring:
  dynamic:
    tp:
      // 省略其他配置项
      tomcatTp:    # tomcat webserver线程池配置
        corePoolSize: 100
        maximumPoolSize: 200
        keepAliveTime: 60

Tomcat 线程池就介绍到这里吧，通过以上的一些介绍想必大家对 Tomcat 线程池执行任务的流程应该比较清楚了吧。

Jetty 内部线程池的实现

  • Jetty 内部线程池，定义了一个继承自 Executor 的 ThreadPool 顶级接口，实现类有以下几个

  • 内部主要使用 QueuedThreadPool 这个实现类，该线程池执行流程就不在详细解读了，感兴趣的可以自己去看源码，核心思想都差不多，围绕核心线程数、最大线程数、任务队列三个参数入手，跟 Tocmat 比对着来看，其实也挺简单的。
public void execute(Runnable job)
    {
        // Determine if we need to start a thread, use and idle thread or just queue this job
        int startThread;
        while (true)
        {
            // Get the atomic counts
            long counts = _counts.get();

            // Get the number of threads started (might not yet be running)
            int threads = AtomicBiInteger.getHi(counts);
            if (threads == Integer.MIN_VALUE)
                throw new RejectedExecutionException(job.toString());

            // Get the number of truly idle threads. This count is reduced by the
            // job queue size so that any threads that are idle but are about to take
            // a job from the queue are not counted.
            int idle = AtomicBiInteger.getLo(counts);

            // Start a thread if we have insufficient idle threads to meet demand
            // and we are not at max threads.
            startThread = (idle <= 0 && threads < _maxThreads) ? 1 : 0;

            // The job will be run by an idle thread when available
            if (!_counts.compareAndSet(counts, threads + startThread, idle + startThread - 1))
                continue;

            break;
        }

        if (!_jobs.offer(job))
        {
            // reverse our changes to _counts.
            if (addCounts(-startThread, 1 - startThread))
                LOG.warn("{} rejected {}", this, job);
            throw new RejectedExecutionException(job.toString());
        }

        if (LOG.isDebugEnabled())
            LOG.debug("queue {} startThread={}", job, startThread);

        // Start a thread if one was needed
        while (startThread-- > 0)
            startThread();
    }
  • Jetty 线程池有提供 public 的获取方法，获取方式如下
    public ExecutorWrapper doGetExecutorWrapper(WebServer webServer) {
        JettyWebServer jettyWebServer = (JettyWebServer) webServer;
        return new ExecutorWrapper(POOL_NAME, jettyWebServer.getServer().getThreadPool());
    }
  • 想要动态调整 Jetty 线程池的线程参数，可以在引入 DynamicTp 依赖后，在配置文件中添加以下配置就行，配置文件完整示例官网介绍
spring:
  dynamic:
    tp:
      // 省略其他配置项
      jettyTp:    # jetty weberver线程池配置
        corePoolSize: 100
        maximumPoolSize: 200

Undertow 内部线程池的实现

  • Undertow 因为其性能彪悍，轻量，现在用的还是挺多的，wildfly（前身 Jboss）从 8 开始内部默认的 WebServer 用 Undertow 了，之前是 Tomcat 吧。了解 Undertow 的小伙伴应该知道，他底层是基于 XNIO 框架（3.X 之前）来做的，这也是 Jboss 开发的一款基于 java nio 的优秀网络框架。但 Undertow 宣布从 3.0 开始底层网络框架要切换成 Netty 了，官方给的原因是说起网络编程，Netty 已经是事实上标准，用 Netty 的好处远大于 XNIO 能提供的，所以让我们期待 3.0 的发布吧，只可惜三年前就宣布了，至今也没动静，不知道是夭折了还是咋的，说实话，改动也挺大的，看啥时候发布吧，以下的介绍是基于 Undertow 2.x 版本来的

  • Undertow 内部是定义了一个叫 TaskPool 的线程池顶级接口，该接口有如图所示的几个实现。其实这几个实现类都是采用组合装饰的方式，内部都维护一个 JUC 的 Executor 体系类或者维护 Jboss 提供的 EnhancedQueueExecutor 类（也继承 JUC ExecutorService 类），执行流程可以自己去分析。

  • 具体的创建代码如下，根据外部是否传入，如果有传入则用外部传入的类，如果没有，根据参数设置内部创建一个，具体是用 JUC 的 ThreadPoolExecutor 还是 Jboss 的 EnhancedQueueExecutor，根据配置参数选择

  • Undertow 线程池没有提供 public 的获取方法，所以通过反射来获取，获取方式如下
    public ExecutorWrapper doGetExecutorWrapper(WebServer webServer) {

        UndertowWebServer undertowWebServer = (UndertowWebServer) webServer;
        val undertow = (Undertow) ReflectionUtil.getFieldValue(UndertowWebServer.class, "undertow", undertowWebServer);
        if (Objects.isNull(undertow)) {
            return null;
        }
        return new ExecutorWrapper(POOL_NAME, undertow.getWorker());
    }
  • 想要动态调整 Undertow 线程池的线程参数，可以在引入 DynamicTp 依赖后，在配置文件中添加以下配置就行，配置文件完整示例看官网
spring:
  dynamic:
    tp:
      // 省略其他配置项
      undertowTp:      # undertow webserver线程池配置
        corePoolSize: 100
        maximumPoolSize: 200
        keepAliveTime: 60

总结

以上介绍了 Tomcat、Jetty、Undertow 三大 WebServer 内置线程池的一些情况，重点介绍了 Tomcat 的，篇幅有限，其他两个感兴趣可以自己分析，原理都差不多。同时也介绍了基于 DynamicTp 怎么动态调整线程池的参数，当我们做 WebServer 性能调优时，能动态调整参数真的是非常好用的。

再次欢迎大家使用 DynamicTp 框架，一起完善项目。

关于 DynamicTp 框架

DynamicTp 是一个基于配置中心实现的轻量级动态线程池管理工具，主要功能可以总结为 动态调参、通知报警、运行监控、三方包线程池管理等几大类。

经过几个版本迭代，目前最新版本 v1.0.7 具有以下特性

特性 ✅

  • 代码零侵入：所有配置都放在配置中心，对业务代码零侵入

  • 轻量简单：基于 springboot 实现，引入 starter，接入只需简单 4 步就可完成，顺利 3 分钟搞定

  • 高可扩展：框架核心功能都提供 SPI 接口供用户自定义个性化实现（配置中心、配置文件解析、通知告警、监控数据采集、任务包装等等）

  • 线上大规模应用：参考美团线程池实践，美团内部已经有该理论成熟的应用经验

  • 多平台通知报警：提供多种报警维度（配置变更通知、活性报警、容量阈值报警、拒绝触发报警、任务执行或等待超时报警），已支持企业微信、钉钉、飞书报警，同时提供 SPI 接口可自定义扩展实现

  • 监控：定时采集线程池指标数据，支持通过 MicroMeter、JsonLog 日志输出、Endpoint 三种方式，可通过 SPI 接口自定义扩展实现

  • 任务增强：提供任务包装功能，实现 TaskWrapper 接口即可，如 TtlTaskWrapper 可以支持线程池上下文信息传递，以及给任务设置标识 id，方便问题追踪

  • 兼容性：JUC 普通线程池也可以被框架监控，@Bean 定义时加 @DynamicTp 注解即可

  • 可靠性：框架提供的线程池实现 Spring 生命周期方法，可以在 Spring 容器关闭前尽可能多的处理队列中的任务

  • 多模式：参考 Tomcat 线程池提供了 IO 密集型场景使用的 EagerDtpExecutor 线程池

  • 支持多配置中心：基于主流配置中心实现线程池参数动态调整，实时生效，已支持 Nacos、Apollo、Zookeeper、Consul，同时也提供 SPI 接口可自定义扩展实现

  • 中间件线程池管理：集成管理常用第三方组件的线程池，已集成 Tomcat、Jetty、Undertow、Dubbo、RocketMq、Hystrix 等组件的线程池管理（调参、监控报警）

项目地址

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官网：http://dynamictp.cn

gitee 地址：http://gitee.com/dromara/dynamic-tp

github 地址：http://github.com/dromara/dynamic-tp

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