Tomcat是如何实现异步Servlet的

in 编程
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tomcat

前言

通过我之前的Tomcat系列文章,相信看我博客的同学对Tomcat应该有一个比较清晰的了解了,在前几篇博客我们讨论了Tomcat在SpringBoot框架中是如何启动的,讨论了Tomcat的内部组件是如何设计以及请求是如何流转的,那么我们这篇博客聊聊Tomcat的异步Servlet,Tomcat是如何实现异步Servlet的以及异步Servlet的使用场景。

手撸一个异步的Servlet

我们直接借助SpringBoot框架来实现一个Servlet,这里只展示Servlet代码:

@WebServlet(urlPatterns = "/async",asyncSupported = true)
@Slf4j
public class AsyncServlet extends HttpServlet {

    ExecutorService executorService =Executors.newSingleThreadExecutor();

    @Override
     protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
        //开启异步,获取异步上下文
        final AsyncContext ctx = req.startAsync();
        // 提交线程池异步执行
        executorService.execute(new Runnable() {


            @Override
            public void run() {
                try {
                    log.info("async Service 准备执行了");
                    //模拟耗时任务
                    Thread.sleep(10000L);
                    ctx.getResponse().getWriter().print("async servlet");
                    log.info("async Service 执行了");
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //最后执行完成后完成回调。
                ctx.complete();
            }
        });
    }

上面的代码实现了一个异步的Servlet,实现了doGet方法注意在SpringBoot中使用需要再启动类加上@ServletComponentScan注解来扫描Servlet。既然代码写好了,我们来看看实际运行效果。

我们发送一个请求后,看到页面有响应,同时,看到请求时间花费了10.05s,那么我们这个Servlet算是能正常运行啦。有同学肯定会问,这不是异步servlet吗?你的响应时间并没有加快,有什么用呢?对,我们的响应时间并不能加快,还是会取决于我们的业务逻辑,但是我们的异步servlet请求后,依赖于业务的异步执行,我们可以立即返回,也就是说,Tomcat的线程可以立即回收,默认情况下,Tomcat的核心线程是10,最大线程数是200,我们能及时回收线程,也就意味着我们能处理更多的请求,能够增加我们的吞吐量,这也是异步Servlet的主要作用。

异步Servlet的内部原理

了解完异步Servlet的作用后,我们来看看,Tomcat是如何是先异步Servlet的。其实上面的代码,主要核心逻辑就两部分,final AsyncContext ctx = req.startAsync() ctx.complete()那我们来看看他们究竟做了什么?

   public AsyncContext startAsync(ServletRequest request,
            ServletResponse response) {
        if (!isAsyncSupported()) {
            IllegalStateException ise =
                    new IllegalStateException(sm.getString("request.asyncNotSupported"));
            log.warn(sm.getString("coyoteRequest.noAsync",
                    StringUtils.join(getNonAsyncClassNames())), ise);
            throw ise;
        }

        if (asyncContext == null) {
            asyncContext = new AsyncContextImpl(this);
        }

        asyncContext.setStarted(getContext(), request, response,
                request==getRequest() && response==getResponse().getResponse());
        asyncContext.setTimeout(getConnector().getAsyncTimeout());

        return asyncContext;
    }

我们发现req.startAsync()只是保存了一个异步上下文,同时设置一些基础信息,比如Timeout,顺便提一下,这里设置的默认超时时间是30S,如果你的异步处理逻辑超过30S,此时执行ctx.complete()就会抛出IllegalStateException 异常。

我们来看看ctx.complete()的逻辑

  public void complete() {
        if (log.isDebugEnabled()) {
            logDebug("complete   ");
        }
        check();
        request.getCoyoteRequest().action(ActionCode.ASYNC_COMPLETE, null);
    }
//类:AbstractProcessor 
 public final void action(ActionCode actionCode, Object param) {
    case ASYNC_COMPLETE: {
            clearDispatches();
            if (asyncStateMachine.asyncComplete()) {
                processSocketEvent(SocketEvent.OPEN_READ, true);
            }
            break;
        } 
    }
    //类:AbstractProcessor 
protected void processSocketEvent(SocketEvent event, boolean dispatch) {
        SocketWrapperBase<?> socketWrapper = getSocketWrapper();
        if (socketWrapper != null) {
            socketWrapper.processSocket(event, dispatch);
        }
    }
    //类:AbstractEndpoint
public boolean processSocket(SocketWrapperBase<S> socketWrapper,
            SocketEvent event, boolean dispatch) {
        //省略部分代码
            SocketProcessorBase<S> sc = null;
            if (processorCache != null) {
                sc = processorCache.pop();
            }
            if (sc == null) {
                sc = createSocketProcessor(socketWrapper, event);
            } else {
                sc.reset(socketWrapper, event);
            }
            Executor executor = getExecutor();
            if (dispatch && executor != null) {
                executor.execute(sc);
            } else {
                sc.run();
            }
   
        return true;
    }

所以,这里最终会调用AbstractEndpointprocessSocket方法,之前看过我前面博客的同学应该有印象,EndPoint是用来接受和处理请求的,接下来就会交给Processor去进行协议处理。

类:AbstractProcessorLight
public SocketState process(SocketWrapperBase<?> socketWrapper, SocketEvent status)
            throws IOException {
        //省略部分diam
        SocketState state = SocketState.CLOSED;
        Iterator<DispatchType> dispatches = null;
        do {
            if (dispatches != null) {
                DispatchType nextDispatch = dispatches.next();
                state = dispatch(nextDispatch.getSocketStatus());
            } else if (status == SocketEvent.DISCONNECT) {
            
            } else if (isAsync() || isUpgrade() || state == SocketState.ASYNC_END) {
                state = dispatch(status);
                if (state == SocketState.OPEN) {
                    state = service(socketWrapper);
                }
            } else if (status == SocketEvent.OPEN_WRITE) {
                state = SocketState.LONG;
            } else if (status == SocketEvent.OPEN_READ){
                state = service(socketWrapper);
            } else {
                state = SocketState.CLOSED;
            }

        } while (state == SocketState.ASYNC_END ||
                dispatches != null && state != SocketState.CLOSED);

        return state;
    }

这部分是重点,AbstractProcessorLight会根据SocketEvent的状态来判断是不是要去调用service(socketWrapper),该方法最终会去调用到容器,从而完成业务逻辑的调用,我们这个请求是执行完成后调用的,肯定不能进容器了,不然就是死循环了,这里通过isAsync() 判断,就会进入dispatch(status),最终会调用CoyoteAdapterasyncDispatch方法

public boolean asyncDispatch(org.apache.coyote.Request req, org.apache.coyote.Response res,
            SocketEvent status) throws Exception {
        //省略部分代码
        Request request = (Request) req.getNote(ADAPTER_NOTES);
        Response response = (Response) res.getNote(ADAPTER_NOTES);
        boolean success = true;
        AsyncContextImpl asyncConImpl = request.getAsyncContextInternal();
        try {
            if (!request.isAsync()) {
                response.setSuspended(false);
            }

            if (status==SocketEvent.TIMEOUT) {
                if (!asyncConImpl.timeout()) {
                    asyncConImpl.setErrorState(null, false);
                }
            } else if (status==SocketEvent.ERROR) {
                
            }

            if (!request.isAsyncDispatching() && request.isAsync()) {
                WriteListener writeListener = res.getWriteListener();
                ReadListener readListener = req.getReadListener();
                if (writeListener != null && status == SocketEvent.OPEN_WRITE) {
                    ClassLoader oldCL = null;
                    try {
                        oldCL = request.getContext().bind(false, null);
                        res.onWritePossible();//这里执行浏览器响应,写入数据
                        if (request.isFinished() && req.sendAllDataReadEvent() &&
                                readListener != null) {
                            readListener.onAllDataRead();
                        }
                    } catch (Throwable t) {
                       
                    } finally {
                        request.getContext().unbind(false, oldCL);
                    }
                } 
                }
            }
            //这里判断异步正在进行,说明这不是一个完成方法的回调,是一个正常异步请求,继续调用容器。
            if (request.isAsyncDispatching()) {
                connector.getService().getContainer().getPipeline().getFirst().invoke(
                        request, response);
                Throwable t = (Throwable) request.getAttribute(RequestDispatcher.ERROR_EXCEPTION);
                if (t != null) {
                    asyncConImpl.setErrorState(t, true);
                }
            }
            //注意,这里,如果超时或者出错,request.isAsync()会返回false,这里是为了尽快的输出错误给客户端。
            if (!request.isAsync()) {
                //这里也是输出逻辑
                request.finishRequest();
                response.finishResponse();
            }
            //销毁request和response
            if (!success || !request.isAsync()) {
                updateWrapperErrorCount(request, response);
                request.recycle();
                response.recycle();
            }
        }
        return success;
    }

上面的代码就是ctx.complete()执行最终的方法了(当然省略了很多细节),完成了数据的输出,最终输出到浏览器。

这里有同学可能会说,我知道异步执行完后,调用ctx.complete()会输出到浏览器,但是,第一次doGet请求执行完成后,Tomcat是怎么知道不用返回到客户端的呢?关键代码在CoyoteAdapter中的service方法,部分代码如下:

  postParseSuccess = postParseRequest(req, request, res, response);
            //省略部分代码
            if (postParseSuccess) {
                request.setAsyncSupported(
                        connector.getService().getContainer().getPipeline().isAsyncSupported());
                connector.getService().getContainer().getPipeline().getFirst().invoke(
                        request, response);
            }
            if (request.isAsync()) {
                async = true;
               } else {
               //输出数据到客户端
                request.finishRequest();
                response.finishResponse();
            if (!async) {
                updateWrapperErrorCount(request, response);
                //销毁request和response
                request.recycle();
                response.recycle();
            }

这部分代码在调用完Servlet后,会通过request.isAsync()来判断是否是异步请求,如果是异步请求,就设置 async = true。如果是非异步请求就执行输出数据到客户端逻辑,同时销毁requestresponse。这里就完成了请求结束后不响应客户端的操作。

为什么说Spring Boot的@EnableAsync注解不是异步Servlet

因为之前准备写本篇文章的时候就查询过很多资料,发现很多资料写SpringBoot异步编程都是依赖于@EnableAsync注解,然后在Controller用多线程来完成业务逻辑,最后汇总结果,完成返回输出。这里拿一个掘金大佬的文章来举例《新手也能看懂的 SpringBoot 异步编程指南》,这篇文章写得很通俗易懂,非常不错,从业务层面来说,确实是异步编程,但是有一个问题,抛开业务的并行处理来说,针对整个请求来说,并不是异步的,也就是说不能立即释放Tomcat的线程,从而不能达到异步Servlet的效果。这里我参考上文也写了一个demo,我们来验证下,为什么它不是异步的。

@RestController
@Slf4j
public class TestController {
    @Autowired
    private TestService service;

    @GetMapping("/hello")
    public String test() {
        try {
            log.info("testAsynch Start");
            CompletableFuture<String> test1 = service.test1();
            CompletableFuture<String> test2 = service.test2();
            CompletableFuture<String> test3 = service.test3();
            CompletableFuture.allOf(test1, test2, test3);
            log.info("test1=====" + test1.get());
            log.info("test2=====" + test2.get());
            log.info("test3=====" + test3.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return "hello";
    }
@Service
public class TestService {
    @Async("asyncExecutor")
    public CompletableFuture<String> test1() throws InterruptedException {
        Thread.sleep(3000L);
        return CompletableFuture.completedFuture("test1");
    }

    @Async("asyncExecutor")
    public CompletableFuture<String> test2() throws InterruptedException {
        Thread.sleep(3000L);
        return CompletableFuture.completedFuture("test2");
    }

    @Async("asyncExecutor")
    public CompletableFuture<String> test3() throws InterruptedException {
        Thread.sleep(3000L);
        return CompletableFuture.completedFuture("test3");
    }
}
@SpringBootApplication
@EnableAsync
public class TomcatdebugApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(TomcatdebugApplication.class, args);
    }

    @Bean(name = "asyncExecutor")
    public Executor asyncExecutor() {
        ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor();
        executor.setCorePoolSize(3);
        executor.setMaxPoolSize(3);
        executor.setQueueCapacity(100);
        executor.setThreadNamePrefix("AsynchThread-");
        executor.initialize();
        return executor;
    }

这里我运行下,看看效果

这里我请求之后,在调用容器执行业务逻辑之前打了一个断点,然后在返回之后的同样打了一个断点,在Controller执行完之后,请求才回到了CoyoteAdapter中,并且判断request.isAsync(),根据图中看到,是为false,那么接下来就会执行 request.finishRequest()response.finishResponse()
来执行响应的结束,并销毁请求和响应体。很有趣的事情是,我实验的时候发现,在执行request.isAsync()之前,浏览器的页面上已经出现了响应体,这是SpringBoot框架已经通过StringHttpMessageConverter类中的writeInternal方法已经进行输出了。

以上分析的核心逻辑就是,Tomcat的线程执行CoyoteAdapter调用容器后,必须要等到请求返回,然后再判断是否是异步请求,再处理请求,然后执行完毕后,线程才能进行回收。而我一最开始的异步Servlet例子,执行完doGet方法后,就会立即返回,也就是会直接到request.isAsync()的逻辑,然后整个线程的逻辑执行完毕,线程被回收。

聊聊异步Servlet的使用场景

分析了这么多,那么异步Servlet的使用场景有哪些呢?其实我们只要抓住一点就可以分析了,就是异步Servlet提高了系统的吞吐量,可以接受更多的请求。假设web系统中Tomcat的线程不够用了,大量请求在等待,而此时Web系统应用层面的优化已经不能再优化了,也就是无法缩短业务逻辑的响应时间了,这个时候,如果想让减少用户的等待时间,提高吞吐量,可以尝试下使用异步Servlet。

举一个实际的例子:比如做一个短信系统,短信系统对实时性要求很高,所以要求等待时间尽可能短,而发送功能我们实际上是委托运营商去发送的,也就是说我们要调用接口,假设并发量很高,那么这个时候业务系统调用我们的发送短信功能,就有可能把我们的Tomcat线程池用完,剩下的请求就会在队列中等待,那这个时候,短信的延时就上去了,为了解决这个问题,我们可以引入异步Servlet,接受更多的短信发送请求,从而减少短信的延时。

总结

这篇文章我从手写一个异步Servlet来开始,分析了异步Servlet的作用,以及Tomcat内部是如何实现异步Servlet的,然后我也根据互联网上流行的SpringBoot异步编程来进行说明,其在Tomcat内部并不是一个异步的Servlet。最后,我谈到了异步Servlet的使用场景,分析了什么情况下可以尝试异步Servlet。

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