1. Tomcat基础介绍

对于Web服务器和应用服务器的概念，要知其然更要知其所以然。在深入讨论Tomcat配置优化之前，我们先来了解一下Tomcat以及它在Web应用中的作用。

1.1. Tomcat概念及作用

Apache Tomcat是一个开源的Servlet容器，由Apache软件基金会维护。它实现了Java Servlet、JavaServer Pages (JSP)、Java Expression Language (EL)和Websocket技术，并提供了一个"纯Java"的HTTP Web服务器环境，为基于Java的Web应用程序提供运行平台。

Tomcat的主要职责包括：

  • Web应用部署：支持将WAR文件部署为Web应用，提供了可配置的部署策略。
  • 请求处理：处理来自客户端的HTTP请求，并将其路由到正确的Servlet处理。
  • Servlet生命周期管理：管理Servlet的生命周期，包括加载、初始化、服务请求、销毁等。
  • 会话管理：跟踪用户会话，支持不同的会话跟踪机制，如Cookies和URL重写。

1.2. 常见的运行模式对比

Tomcat可以运行在多种模式下，这影响着它的性能和并发处理能力。以下是两种最常见的运行模式：

  • Standalone模式：Tomcat作为单独的服务器运行，处理所有的Web请求。这是最简单的部署方式，也是开发和测试中常用的模式。
  • Integrated模式：Tomcat与其他服务器（如Apache）集成运行，其他服务器作为前端HTTP服务器，Tomcat处理动态资源。集成模式通常用于生产环境，它允许更复杂的负载均衡和静态资源处理策略。

2. 理解Tomcat的线程模型

在多线程编程和并发控制中，线程模型是最为关键的概念之一。Tomcat作为容器，其内置的线程模型决定了应用程序并发处理请求的能力。

2.1. BIO、NIO和APR的基础知识

Tomcat支持多种网络IO技术，主要包括BIO、NIO和APR：

  • BIO (Blocking IO)：传统的阻塞式IO模型，一个连接对应一个处理线程。BIO的特点是编程模型简单，但并发能力有限，容易受到线程资源耗尽的影响。
  • NIO (Non-Blocking IO)：基于Channel和Buffer的非阻塞式IO模型，一个线程可以处理多个连接的请求。NIO可以提供更高的并发处理能力，尤其是在面对连接数众多但请求处理速度相对较慢的情况下。
  • APR (Apache Portable Runtime)：一种使用本地(server-native)库来处理请求的方式，它绕过了Java的虚拟机，直接在操作系统层面进行优化，从而获得更好的性能和更低的延迟。

2.2. 各线程模型的优缺点分析

在选择线程模型时，需要综合考虑性能、资源利用率、编程难度及可维护性：

  • BIO模型简单易懂，但不适合并发连接数特别多的场景。
  • NIO模型优化了资源利用，适合高并发且请求响应周期较长的场景。
  • APR模型提供了接近本地代码的执行效率，但它增加了部署的复杂性，并且需要本地库的支持。

3. 高并发下Tomcat的性能瓶颈

运行在高并发环境的Tomcat服务器通常会遇到多种性能瓶颈。理解这些问题是进行有效优化的前提。

3.1. 连接数限制

Tomcat服务器可以同时打开的连接数是有限的。一旦到达上限，新的连接会被拒绝或排队，从而导致性能问题。

  • maxConnections：这个参数设定了能够接受的最大连接数。在高并发场景下，须根据硬件资源合理设置此参数。
  • acceptCount：当已经达到最大连接数时，这个参数定义了还可以排队等待的连接数。一旦队列也满了，额外的连接请求将被拒绝。

3.2. 内存管理问题

Tomcat的内存管理若不当，也会成为性能瓶颈。

  • Heap大小：Java堆内存存储了Java对象，堆太小会导致频繁的垃圾回收，影响性能；堆过大可能导致垃圾回收耗时过长。
  • PermGen和Metaspace：存储类的元数据，不合理的大小会导致OutOfMemoryError。

3.3. GC策略对性能的影响

垃圾收集器的选择和配置对性能有极大影响。

  • GC暂停时间：某些垃圾收集器在回收时会暂停应用，影响并发性能。
  • GC算法：不同的GC算法适配不同的应用场景，选择合适的收集器对降低延迟和提升吞吐量至关重要。

4. 安装和配置APR

为了在性能上获得优势，Tomcat可以搭配APR（Apache Portable Runtime）使用，它能够显著提升处理能力，特别是在与本地服务器交互时。

4.1. APR的优势及其对Tomcat性能的提升

APR是一个高度优化的，基于本地的服务库，它为Tomcat提供了如下优势：

  • 直接使用操作系统的网络IO：这允许Tomcat绕过JVM的限制，直接与操作系统的网络层进行通信，从而减少延迟并提高吞吐量。
  • 更高效的内存管理：与传统的JVM内存管理相比，APR可以更有效地分配和管理内存资源。
  • 提升加密处理能力：在处理SSL加密和解密时，APR能够利用本地库优化这些操作。

4.2. 安装APR的步骤

为了采用APR，您需要进行下列步骤：

  1. 下载APR和APR-util：从Apache官网获取最新的源代码包。
  2. 编译与安装：在您的服务器上编译并安装APR和APR-util。
  3. 配置Tomcat使用APR：修改Tomcat的配置文件，确保它在启动时加载APR库。

4.3. 配置APR的相关参数

安装APR后，需要针对性地调整配置参数，以适应您的应用：

  • SSLEngine：“on”表示启用APR的SSL支持，这是处理HTTPS请求的关键。
  • SSLProtocol：这个参数指定了哪些SSL协议应该被允许，以保证安全性和兼容性。
  • maxThreads：与传统Tomcat配置中的线程设置相似，但是在使用APR时，应更加精细地控制这一参数。

5. Tomcat调优实战

在面对高并发的压力时，适当的Tomcat配置调优可以显著提升性能。以下是一些实用的调优技巧。

5.1. 进一步的连接器（Connector）配置调优

连接器配置是Tomcat调优中的基础，适当的配置可以大幅度提升Tomcat处理请求的能力。

  • connectionTimeout：定义连接超时时间。较低的值可以释放线程资源，用于更有意义的请求处理。
<Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"
            connectionTimeout="20000"
            redirectPort="8443" />
  • keepAliveTimeout：当客户端与服务器间建立连接后，在多久无活动后关闭连接。适宜的保持连接时间可以提升连续请求的效率。
<Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"
            keepAliveTimeout="10000"
            maxKeepAliveRequests="100"
            connectionTimeout="20000"
            redirectPort="8443" />
  • maxKeepAliveRequests：在关闭连接前，一个Keep-Alive连接可以接受的最大请求数量。适当增加这个数值可以减少连接建立和关闭的开销。

5.2. JVM性能优化

JVM设置对Tomcat尤为关键，合适的参数设置可以让JVM运行更加高效。

  • -XX:+UseConcMarkSweepGC：使用CMS垃圾收集器，它的目标是获取最短回收停顿时间，适合响应时间要求严格的应用。
JAVA_OPTS="-XX:+UseConcMarkSweepGC"
  • -XX:+UseParallelOldGC：在多处理器环境中使用并行垃圾回收机制，这样可以提高垃圾收集时的吞吐量。
JAVA_OPTS="-XX:+UseParallelOldGC"
  • -XX:NewRatio：设置年轻代（包括Eden和两个Survivor区）与年老代的比率，以优化GC性能。
JAVA_OPTS="-XX:NewRatio=2"
  • -XX:+UseStringDeduplication：开启字符串去重操作，减少重复字符串的内存消耗，特别在多字符串操作的应用中有显著的内存节约。
JAVA_OPTS="-XX:+UseStringDeduplication"

5.3. 线程池优化策略的深度调优

细致的线程池调整能够为每一个请求提供充足的线程资源，而不至于资源浪费。

  • maxThreads：提升最大线程数可以使Tomcat处理更多并发请求，但要注意不要超出硬件资源限制。
<Executor name="tomcatThreadPool" namePrefix="catalina-exec-"
    maxThreads="150" minSpareThreads="4"/>
  • minSpareThreads：这个参数指定即使在空闲时也应该保持的线程数量。增加这个数值可以让Tomcat在有请求高峰时更快地响应。

5.4. 缓存与静态资源优化

合适的缓存设置能显著减少IO操作，加速静态资源的访问速度。

  • useSendfile：开启操作系统级别的sendfile特性，可以加速静态文件的传输，特别是对于大文件的处理。
<Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"
            useSendfile="true" />
  • compression：开启GZIP压缩可以减少网络数据传输量，加快响应速度，但要考虑到CPU资源的消耗。
<Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"
            compression="on"
            compressionMinSize="2048"
            noCompressionUserAgents="gozilla, traviata"
            compressableMimeType="text/html,text/xml,text/plain" />

6. Tomcat配置的最佳实践

在处理高并发请求时，Tomcat的配置需要精心调整。有一些常见的配置项通过最佳实践被证明可以提高性能。我们将一个一个地过这些配置项，并提供详细的解释。

6.1. server.port

指定Tomcat运行的端口，要确保和其他服务不冲突且在防火墙中开放。

server:
  port: 8080

6.2. server.tomcat.max-threads

设置Tomcat可创建的最大线程数。增加这个值可以允许Tomcat同时处理更多的请求，但这也会增加JVM堆和非堆内存的使用量，因此需要基于机器的内存限制和应用的实际负载进行调整。

server:
  tomcat:
    max-threads: 200

6.3. server.tomcat.min-spare-threads

定义即使在空闲时Tomcat也应保持开启的最小线程数量。这可以加快对新请求的响应速度，因为已经有空闲的线程可供立即使用。

server:
  tomcat:
    min-spare-threads: 10

6.4. server.tomcat.max-connections

Tomcat可以接收的最大连接数。这个设置应该根据服务器的网络I/O性能来调整，避免设置过高接收到DDoS时耗尽服务器资源。

server:
  tomcat:
    max-connections: 10000

6.5. server.tomcat.connection-timeout

设定连接的超时时间（以毫秒为单位）。如果在这段时间内没有数据输入或输出，连接会被Tomcat关闭。调小超时时间可以快速释放长时间没活动的连接。

server:
  tomcat:
    connection-timeout: 20000

6.6. server.tomcat.accept-count

当所有可能的请求处理线程都被使用时，这个配置定义了还能在连接队列中等待的请求数。如果Tomcat的工作线程全忙，新的连接会进入队列等待处理。队列满后再有新连接则会被拒绝。

server:
  tomcat:
    accept-count: 100

6.7. server.tomcat.max-http-post-size

限制HTTP POST请求的最大字节数。这对于防止巨型POST请求耗尽服务器资源至关重要。

server:
  tomcat:
    max-http-post-size: 20971520 # 20MB

6.8. server.tomcat.keep-alive-timeout

为了充分利用HTTP持久连接，keep-alive-timeout指定了在关闭非活动连接之前，Tomcat等待下一个请求的最长时间。

server:
  tomcat:
    keep-alive-timeout: 10000

6.9. server.tomcat.max-keep-alive-requests

指定在关闭连接之前，一个持久连接能处理的最大请求数。增大这个值可以提高性能，特别是当页面上有很多资源（如图片、JS、CSS）需要加载时。

server:
  tomcat:
    max-keep-alive-requests: 100

6.10. server.tomcat.protocol

用于设置Tomcat连接器使用的协议，通常推荐使用org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol作为NIO连接器，它提供了比传统BIO更好的性能，并实现了非阻塞IO。

server:
  tomcat:
    protocol: "org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol"

6.11. server.tomcat.redirect-port

当客户端请求需要使用SSL时，Tomcat会将请求重定向至这个端口。请确保你有在这个端口上配置了SSL。

server:
  tomcat:
    redirect-port: 8443

6.12. server.tomcat.uri-encoding

设置Tomcat使用的URI编码。UTF-8编码可以支持多语言请求，是一个比较好的默认选择。

server:
  tomcat:
    uri-encoding: UTF-8

6.13. server.tomcat.accesslog.enabled

启用访问日志记录，这是分析Tomcat性能问题和审计请求历史的一个重要工具。

server:
  tomcat:
    accesslog:
      enabled: true

6.14. server.tomcat.accesslog.pattern

定义了日志记录的格式，这个配置决定了哪些请求信息将会被保存下来。%h %l %u %t "%r" %s %b %D是一个通用配置，记录了请求者IP，用户名，访问时间，请求行，状态码，返回的字节数和请求处理时间。

server:
  tomcat:
    accesslog:
      pattern: "%h %l %u %t "%r" %s %b %D"

7. 监控与问题排查

在高并发环境下，实施有效的监控策略可以帮助我们在系统出现瓶颈前预警，并在出现问题时快速定位根源。

7.1. Tomcat监控工具介绍

监控Tomcat服务器至关重要，以下工具可以帮助您实现这一目标：

7.1.1. JMX (Java Management Extensions)

配置并使用JMX可以远程监控和管理Tomcat的运行状态，包括线程数、内存使用等重要指标。在你的application.yml中启用JMX：

spring:
  jmx:
    enabled: true

7.1.2. VisualVM

VisualVM是一个强大的工具，它可以通过JMX连接到远程Tomcat实例，实时监控应用程序的CPU、内存使用情况，线程和堆转储等。

7.1.3. Prometheus and Grafana

Prometheus可以用于收集和存储Tomcat运行时的指标，而Grafana提供了一个丰富的仪表板，用于可视化这些数据，从而更容易检测异常模式。

7.2. 高并发问题排查技巧

面对高并发带来的问题，以下几个方面的检查和排查对于维护系统运行至关重要：

7.2.1. Thread Dump分析

当Tomcat响应变慢甚至停止响应时，生成并分析一个thread dump（线程快照）可以帮助你找到死锁或者繁忙线程等问题。

7.2.2. GC日志分析

配置合适的GC日志可以帮助分析垃圾收集器的行为，从而了解内存回收可能对性能带来的影响。

7.2.3. 访问日志

启用Tomcat访问日志记录可以帮助您回溯系统在面对特定请求时的行为，特别是带有时间戳，这可以帮助定位问题发生的确切时刻。

7.3. 日志配置与分析

配置应用程序的日志策略，以记录足够但不冗余的信息，对排查问题非常有帮助。例如，使用logback-spring.xml或者Spring Boot的application.yml文件来精细控制日志级别和输出格式：

logging:
  level:
    org:
      springframework: ERROR
      apache: WARN