性能调优必备:NIO的优化实现原理 (4)

在 Java 的 NIO 编程中,则是使用到了 Direct Buffer 来实现内存的零拷贝。Java 直接在 JVM 内存空间之外开辟了一个物理内存空间,这样内核和用户进程都能共享一份缓存数据。

线程模型优化

除了内核对网络 I/O 模型的优化,NIO 在用户层也做了优化升级。NIO 是基于事件驱动模型来实现的 I/O 操作。 Reactor 模型是同步 I/O 事件处理的一种常见模型,其核心思想是将 I/O 事件注册到多路复用器上,一旦有 I/O 事件触发,多路复用器就会将事件分发到事件处理器中,执行就绪的 I/O 事件操作。该模型有以下三个主要组件:

事件接收器 Acceptor: 主要负责接收请求连接;

事件分离器 Reactor: 接收请求后,会将建立的连接注册到分离器中,依赖于循环监听多路复用器 Selector,一旦监听到事件,就会将事件 dispatch 到事件处理器;

事件处理器 Handlers: 事件处理器主要是完成相关的事件处理,比如读写 I/O 操作。

1. 单线程 Reactor 线程模型

最开始 NIO 是基于单线程实现的,所有的 I/O 操作都是在一个 NIO 线程上完成。由于 NIO 是非阻塞 I/O,理论上一个线程可以完成所有的 I/O 操作。

但 NIO 其实还不算真正地实现了非阻塞 I/O 操作,因为读写 I/O 操作时用户进程还是处于阻塞状态,这种方式在高负载、高并发的场景下会存在性能瓶颈,一个 NIO 线程如果同时处理上万连接的 I/O 操作,系统是无法支撑这种量级的请求的。

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2. 多线程 Reactor 线程模型

为了解决这种单线程的 NIO 在高负载、高并发场景下的性能瓶颈,后来使用了线程池。

在 Tomcat 和 Netty 中都使用了一个 Acceptor 线程来监听连接请求事件, 当连接成功之后,会将建立的连接注册到多路复用器中,一旦监听到事件,将交给 Worker 线程池来负责处理。大多数情况下,这种线程模型可以满足性能要求,但如果连接的客户端再上一个量级,一个 Acceptor 线程可能会存在性能瓶颈。

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3. 主从 Reactor 线程模型

现在主流通信框架中的 NIO 通信框架都是基于主从 Reactor 线程模型来实现的。在这个模型中,Acceptor 不再是一个单独的 NIO 线程,而是一个线程池。Acceptor 接收到客户端的 TCP 连接请求,建立连接之后,后续的 I/O 操作将交给 Worker I/O 线程。

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基于线程模型的 Tomcat 参数调优

Tomcat 中,BIO、NIO 是基于主从 Reactor 线程模型实现的。

在 BIO 中, Tomcat 中的 Acceptor 只负责监听新的连接,一旦连接建立监听到 I/O 操作,将会交给 Worker 线程中,Worker 线程专门负责 I/O 读写操作。

在 NIO 中, Tomcat 新增了一个 Poller 线程池,Acceptor 监听到连接后,不是直接使用 Worker 中的线程处理请求,而是先将请求发送给了 Poller 缓冲队列。在 Poller 中,维护了一个 Selector 对象,当 Poller 从队列中取出连接后,注册到该 Selector 中;然后通过遍历 Selector,找出其中就绪的 I/O 操作,并使用 Worker 中的线程处理相应的请求。

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你可以通过以下几个参数来设置 Acceptor 线程池和 Worker 线程池的配置项。

acceptorThreadCount: 该参数代表 Acceptor 的线程数量,在请求客户端的数据量非常巨大的情况下,可以适当地调大该线程数量来提高处理请求连接的能力,默认值为 1。

maxThreads: 专门处理 I/O 操作的 Worker 线程数量,默认是 200,可以根据实际的环境来调整该参数,但不一定越大越好。

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