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Tomcat 调优之从 Linux 内核源码层面看 Tcp backlog

前两天看到一群里在讨论 Tomcat 参数调优,看到不止一个人说通过 accept-count 来配置线程池大小,我笑了笑,看来其实很多人并不太了解我们用的最多的 WebServer Tomcat,这篇文章就来聊下 Tomcat 调优,重点介绍下线程池调优及 TCP 半连接、全连接队列调优。

前两天看到一群里在讨论 Tomcat 参数调优,看到不止一个人说通过 accept-count 来配置线程池大小,我笑了笑,看来其实很多人并不太了解我们用的最多的 WebServer Tomcat,这篇文章就来聊下 Tomcat 调优,重点介绍下线程池调优及 TCP 半连接、全连接队列调优。

Tomcat 线程池

先来说下线程池调优,就拿 SpringBoot 内置的 Tomcat 来说,确实是支持线程池参数配置的,但不是 accept-count 参数,可以通过 threads.max 和 threads.minSpare 来配置线程池最大线程数和核心线程数。

如果没有设置,则会使用默认值

threads.max: 200
threads.minSpare: 10

Tomcat 底层用到的 ThreadPoolExecutor 也不是 JUC 原生的线程池,而是自定义的,做了一些调整来支持 IO 密集型场景使用,具体介绍可以看之前写的两篇文章。

通过这两篇文章能了解到 Tomcat 自定义线程池的执行流程及原理,然后可以接入动态线程池框架 DynamicTp,将 Tomcat 线程池交由 DynamicTp 管理,使之能享受到动态调参、监控告警的功能。

在配置中心配置 tomcat 线程池核心参数

spring:
  dynamic:
    tp:
      tomcatTp:
        corePoolSize: 100
        maximumPoolSize: 400
        keepAliveTime: 60

Tomcat 线程池调优主要思想就是动态化线程池参数,上线前通过压测初步确定一套较优的参数值,上线后通过监控、告警实时感知线程池负载情况,动态调整参数适应流量的变化。

线程池调优就说这些吧,下面主要介绍下 Tcp backlog 及半连接、全连接队列相关内容。

划重点

threads.max 和 threads.minSpare 是用来配置 Tomcat 的工作线程池大小的,是线程池维度的参数

accept-count 和 max-connections 是 TCP 维度的配置参数

TCP 状态机

Client 端和 Server 端基于 TCP 协议进行通信时,首先需要经过三次握手建连的,通信结束时需要通过四次挥手断连的。注意所谓的连接其实是个逻辑上的概念,并不存在真实连接的,那 TCP 是怎么面向连接传输的呢?

TCP 定义了个复杂的有限状态机模型,通信双方通过维护一个连接状态,来达到看起来像有一条连接的效果。如下是 TCP 状态机状态流转图,这个图非常重要,建议大家一定要掌握。图片来自

图上半部分描述了三次握手建立连接过程中状态的变化

图下半部分描述了四次挥手断开连接过程中状态的变化

图 2 是通过三次握手建立连接的过程,老八股文了,建议结合图 1 状态机变化图看,图片来源

图 3 是通过四次挥手断开连接的过程,建议结合图 1 状态机变化图看,图片来源

服务端程序调用 listen() 函数后,TCP 状态机从 CLOSED 转变为 LISTEN,并且 linux 内核会创建维护两个队列。一个是半连接队列(Syn queue),另一个是全连接队列(Accept queue)。

建连主要流程如下:

客户端向服务端发送 SYN 包请求建立连接,发送后客户端进入 SYN_SENT 状态

服务端收到客户端的 SYN 请求,将该连接存放到半连接队列(Syn queue)中,并向客户端回复 SYN + ACK,随后服务端进入 SYN_RECV 状态

客户端收到服务端的 SYN + ACK 后,回复服务端 ACK 并进入 ESTABLISHED 状态

服务端收到客户端的 ACK 后,从半连接队列中取出连接放到全连接队列(Accept queue)中,服务端进入 ESTABLISHED 状态

服务端程序调用 accept() 方法,从全连接队列中取出连接进行处理请求

连接队列大小

上述提到了半连接队列、全连接队列,这两队列都有大小限制的,超过的连接会被丢掉或者返回 RST 包。

半连接队列大小主要受:listen backlog、somaxconn、tcp_max_syn_backlog 这三参数影响

全连接队列大小主要受:listen backlog 和 somaxconn 这两参数影响

tcp_max_syn_backlog 和 somaxconn 都是 linux 内核参数,在 /proc/sys/net/ipv4/ 和 /proc/sys/net/core/ 下,可以通过 /etc/sysctl.conf 文件来修改,默认值为 128。

listen backlog 参数其实就是我们调用 listen 函数时传入的第二个参数。回到主题,Tomcat 的 accept-count 其实最后就会传给 listen 函数做 backlog 用。

int listen(int sockfd, int backlog);

可以在配置文件中配置 tomcat accept-count 大小,默认为 100

以下代码注释中也注明了 acceptCount 就是 backlog

以 Nio2Endpoint 为例看下代码,bind 方法首先会根据配置的核心线程数、最大线程数创建 worker 线程池。然后调用 jdk nio2 中的 AsynchronousServerSocketChannelImpl 的 bind 方法,该方法内会调用 Net.listen() 进行 socket 监听。通过这几段代码,我们可以清晰的看到 Tomcat accept-count = Tcp backlog,默认值为 100。

上面说到了半全两个连接队列,至于这两个连接队列大小怎么确定,其实不同 linux 内核版本算法也都不太一样,我们就以 v3.10 来看。

以下是 linux 内核 socket.c 中的源码,也就是我们调用 listen() 函数会执行的代码

/*
 * Perform a listen. Basically, we allow the protocol to do anything
 * necessary for a listen, and if that works, we mark the socket as
 * ready for listening.
 */
SYSCALL_DEFINE2(listen, int, fd, int, backlog)
{
    struct socket *sock;
    int err, fput_needed;
    int somaxconn;

    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
    if (sock) {
            somaxconn = sock_net(sock->sk)->core.sysctl_somaxconn;
            if ((unsigned int)backlog > somaxconn)
                    backlog = somaxconn;

            err = security_socket_listen(sock, backlog);
            if (!err)
                    err = sock->ops->listen(sock, backlog);

            fput_light(sock->file, fput_needed);
    }
    return err;
}

可以看到,此处会拿内核参数 somaxconn 和 传入的 backlog 做比较,取二者中的较小者作为全连接队列大小。

全连接队列大小 = min(backlog, somaxconn)。

接下来 backlog 会依次传递给如下函数,格式约定(源代码文件名#函数名)

af_inet.c#inet_listen() -> inet_connection_sock.c#inet_csk_listen_start() -> request_sock.c#reqsk_queue_alloc()

reqsk_queue_alloc() 函数代码如下,主要就是用来计算半连接队列大小的。

计算逻辑可以简化为下述公式,简单描述 roundup_pow_of_two 算法就是向上取最接近的最大 2 的指数次幂,注意此处 backlog 已经是 min(backlog, somaxconn)

半连接队列大小 = roundup_pow_of_two(max(8, min(backlog, tcp_max_syn_backlog))+1)

代码里 max_qlen_log 在一个 for 循环里计算,比如算出的半连接队列大小 nr_table_entries = 16 = 2^4,那么 max_qlen_log = 4,该值在判断半连接队列是否溢出时会用到。

举个例子,如果 listen backlog = 10、somaxconn = 128、tcp_max_syn_backlog = 128,那么半连接队列大小 = 16,全连接队列大小 = 10。

所以要知道,在做连接队列大小调优的时候,一定要综合上述三个参数,只修改某一个起不到想要的效果。

连接队列大小查看

全连接队列大小

可以通过 linux 提供的 ss 命令来查看全连接队列的大小

参数说明,参数很多,其他参数可以自己 help 查看说明

l:表示显示 listening 状态的 socket

n:不解析服务名称

t:只显示 tcp sockets

这个命令结果怎么解读呢?

主要看前三个字段,Recv-Q 和 Send-Q 在 State 为 LISTEN 和非 LISTEN 状态时代表不同的含义。

State: LISTEN

Recv-Q: 全连接队列的当前长度,也就是已经完成三次握手等待服务端调用 accept() 方法获取的连接数量

Send-Q: 全连接队列的最大长度,也就是我们上述分析的 backlog 和somaxconn 的最小值

State: 非 LISTEN

Recv-Q: 已接受但未被应用进程读取的字节数

Send-Q: 已发送但未收到确认的字节数

以上区别从如下内核代码也可以看出,ss 命令就是从 tcp_diag 模块获取的数据

半连接队列大小

半连接队列没有像 ss 这种命令直接查看,但服务端处于 SYN_RECV 状态的连接都在半连接队列里,所以可以通过如下命令间接统计

netstat -natp | grep SYN_RECV | wc -l

半连接队列最大长度可以使用我们上述分析得到的公式计算得到

半全连接队列溢出

全连接队列溢出

当请求量很大,全连接队列比较小时,就有可能发生全连接队列溢出的情况。

此代码是 linux 内核用来判断全连接队列是否已满的函数,可以看到判断用的是大于号,这也就是我们用 ss 命令可能会看到 Recv-Q > Send-Q 的原因

sk_ack_backlog 是当前全连接队列的大小

sk_max_ack_backlog 是全连接队列的最大长度,也就是 min(listen_backlog, somaxconn)

当全连接队列满了发生溢出时,会根据 /proc/sys/net/ipv4/tcp_abort_on_overflow 内核参数来决定怎么处理后续的 ack 请求,tcp_abort_on_overflow 默认值为 0。

当 tcp_abort_on_overflow = 0 时,如果全连接队列已满,服务端会直接扔掉客户端发送的 ACK,此时服务端处于 SYN_RECV 状态,客户端处于 ESTABLISHED 状态,服务端的超时重传定时器会重传 SYN + ACK 包给客户端(重传次数由/proc/sys/net/ipv4/tcp_synack_retries 指定,默认值为 5,重试间隔为 1s、2s、4s、8s、16s,共 31s,第 5 次发出后还要等 32s 才知道第 5 次也超时了,所以总共需要 63s)。超过 tcp_synack_retries 后,服务端不会在重传,这时如果客户端发送数据过来,服务端会返回 RST 包,客户端会报 connection reset by peer 异常

当 tcp_abort_on_overflow = 1 时,如果全连接队列已满,服务端收到客户端的 ACK 后,会发送一个 RST 包给客户端,表示结束掉这个握手过程和这个连接,客户端会报 connection reset by peer 异常

一般情况下 tcp_abort_on_overflow 保持默认值 0 就行,能提高建立连接的成功率

半连接队列溢出

我们知道,服务端收到客户端发送的 SYN 包后会将该连接放入半连接队列中,然后回复 SYN+ACK,如果客户端一直不回复 ACK 做第三次握手,这样就会使得服务端有大量处于 SYN_RECV 状态的 TCP 连接存在半连接队列里,超过设置的队列长度后就会发生溢出。

下述代码是 linux 内核判断是否发生半连接队列溢出的函数

// 代码在 include/net/inet_connection_sock.h 中
static inline int inet_csk_reqsk_queue_is_full(const struct sock *sk)
{
    return reqsk_queue_is_full(&inet_csk(sk)->icsk_accept_queue);
}

// 代码在 include/net/request_sock.h 中
static inline int reqsk_queue_is_full(const struct request_sock_queue *queue)
{
   /*
    * qlen 是当前半连接队列大小
    * max_qlen_log 上述解释过,如果半连接队列大小 = 16 = 2^4,那么该值就是4
    * 非常巧妙的用了移位运行来判断半连接队列是否溢出,底层满满的都是细节
    */
    return queue->listen_opt->qlen >> queue->listen_opt->max_qlen_log;
}

我们常说的 SYN Flood 洪水攻击 是一种典型的 DDOS 攻击,就是利用了这个点,给服务端发送一个 SYN 包后客户端就下线了,服务端会超时重传 SYN+ACK 包,上述也说了总共需要 63s 才停止重传,也就是说服务端需要经过 63s 后才断开该连接,这样就会导致半连接队列快速被耗尽,不能处理正常的请求。

那是怎么防止攻击的呢?

linux 提供个一个内核参数 /proc/sys/net/ipv4/tcp_syncookies 来应对该攻击,当半连接队列满了且开启 tcp_syncookies = 1 配置时,服务端在收到 SYN 并返回 SYN+ACK 后,不将该连接放入半连接队列,而是根据这个 SYN 包 TCP 头信息计算出一个 cookie 值。将这个 cookie 作为第二次握手 SYN+ACK 包的初始序列号 seq 发过去,如果是攻击者,就不会有响应,如果是正常连接,客户端回复 ACK 包后,服务端根据头信息计算 cookie,与返回的确认序列号进行比对,如果相同,则是一个正常建立连接。

下述代码是计算 cookie 的函数,可以看到跟这些字段有关(源 ip、源端口、目标 ip、目标端口、客户端 syn 包序列号、时间戳、mssind)

下面看下第一次握手,收到 SYN 包后服务端的处理代码,代码太多,简化提出跟半连接队列溢出相关代码

int tcp_v4_conn_request(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
   /*
    * 如果半连接队列已满,且 tcp_syncookies 未开启,则直接丢弃该连接
    */
    if (inet_csk_reqsk_queue_is_full(sk) && !isn) {
        want_cookie = tcp_syn_flood_action(sk, skb, "TCP");
        if (!want_cookie)
                goto drop;
    }

   /*
    * 如果全连接队列已满,并且没有重传 SYN+ACk 包的连接数量大于1,则直接丢弃该连接
    * inet_csk_reqsk_queue_young 获取没有重传 SYN+ACk 包的连接数量
    */
    if (sk_acceptq_is_full(sk) && inet_csk_reqsk_queue_young(sk) > 1) {
        NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_LISTENOVERFLOWS);
        goto drop;
    }

    // 分配 request sock 内核对象
    req = inet_reqsk_alloc(&tcp_request_sock_ops);
    if (!req)
        goto drop;

    if (want_cookie) {
        // 如果开启了 tcp_syncookies 且半连接队列已满,则计算 cookie
        isn = cookie_v4_init_sequence(sk, skb, &req->mss);
        req->cookie_ts = tmp_opt.tstamp_ok;
    } else if (!isn) {
         /* 如果没有开启 tcp_syncookies 并且 max_syn_backlog - 半连接队列当前大小 < max_syn_backlog >> 2,则丢弃该连接 */
        else if (!sysctl_tcp_syncookies &&
                 (sysctl_max_syn_backlog - inet_csk_reqsk_queue_len(sk) <
                  (sysctl_max_syn_backlog >> 2)) &&
                 !tcp_peer_is_proven(req, dst, false)) {
            LIMIT_NETDEBUG(KERN_DEBUG pr_fmt("drop open request from %pI4/%u\n"),
                           &saddr, ntohs(tcp_hdr(skb)->source));
            goto drop_and_release;
        }
        isn = tcp_v4_init_sequence(skb);
    }
    tcp_rsk(req)->snt_isn = isn;
    // 构造 syn+ack 响应包
    skb_synack = tcp_make_synack(sk, dst, req,
        fastopen_cookie_present(&valid_foc) ? &valid_foc : NULL);
    if (likely(!do_fastopen)) {
        int err;
        // 发送 syn+ack 响应包
        err = ip_build_and_send_pkt(skb_synack, sk, ireq->loc_addr,
             ireq->rmt_addr, ireq->opt);
        err = net_xmit_eval(err);
        if (err || want_cookie)
                goto drop_and_free;

        tcp_rsk(req)->snt_synack = tcp_time_stamp;
        tcp_rsk(req)->listener = NULL;
        // 添加到半连接队列,并且开启超时重传定时器
        inet_csk_reqsk_queue_hash_add(sk, req, TCP_TIMEOUT_INIT);
    } else if (tcp_v4_conn_req_fastopen(sk, skb, skb_synack, req))
        goto drop_and_free;
}

查看溢出命令

当连接队列溢出时,可以通过 netstart -s 命令查询

  # 表示全连接队列溢出的次数,累计值
  119005 times the listen queue of a socket overflowed

  # 表示半连接队列溢出的次数,累计值
  119085 SYNs to LISTEN sockets dropped

如果发现这两个值一直在增加,就说明发生了队列溢出,需要看情况调大队列大小

常用组件 backlog 大小

Redis 默认 backlog = 511

Nginx 默认 backlog = 511

Mysql 默认 backlog = 50

Undertow 默认 backlog = 1000

Tomcat 默认 backlog = 100

总结

这篇文章以 Tomcat 性能调优为切入点,首先简单讲了下 Tomcat 线程池调优。然后借 Tomcat 配置参数 accept-count 引出了 Tcp backlog,从 linux 内核源码层面详细讲解了下 TCP backlog 参数以及半连接、全连接队列的相关知识,包括连接队列大小设置,以及队列溢出怎么排查,这些东西也是我们服务端开发需要掌握的,在性能调优,问题排查时会有一定的帮助。

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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。

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