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。
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

1. threads.max: 200
2. threads.minSpare: 10

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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。
动态线程池（DynamicTp），动态调整 Tomcat、Jetty、Undertow 线程池参数篇
以面试官视角万字解读线程池 10 大经典面试题！
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

1. spring:
2.   dynamic:
3.     tp:
4.       tomcatTp:
5.         corePoolSize: 100
6.         maximumPoolSize: 400
7.         keepAliveTime: 60

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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 TCP 状态机

• 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，图片来源三次握手

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，图片来源四次挥手

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。

1. int listen(int sockfd, int backlog);

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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

1. /*
2. * Perform a listen. Basically, we allow the protocol to do anything
3. * necessary for a listen, and if that works, we mark the socket as
4. * ready for listening.
5. */
6. SYSCALL_DEFINE2(listen, int, fd, int, backlog)
7. {
8.     struct socket *sock;
9.     int err, fput_needed;
10.     int somaxconn;
12.     sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
13.     if (sock) {
14.             somaxconn = sock_net(sock->sk)->core.sysctl_somaxconn;
15.             if ((unsigned int)backlog > somaxconn)
16.                     backlog = somaxconn;
18.             err = security_socket_listen(sock, backlog);
19.             if (!err)
20.                     err = sock->ops->listen(sock, backlog);
22.             fput_light(sock->file, fput_needed);
23.     }
24.     return err;
25. }

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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

1. netstat -natp | grep SYN_RECV | wc -l

复制代码

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

1. // 代码在 include/net/inet_connection_sock.h 中
2. static inline int inet_csk_reqsk_queue_is_full(const struct sock *sk)
3. {
4.     return reqsk_queue_is_full(&inet_csk(sk)->icsk_accept_queue);
5. }
7. // 代码在 include/net/request_sock.h 中
8. static inline int reqsk_queue_is_full(const struct request_sock_queue *queue)
9. {
10.    /*
11.     * qlen 是当前半连接队列大小
12.     * 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
13.     * 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
14.     */
15.     return queue->listen_opt->qlen >> queue->listen_opt->max_qlen_log;
16. }

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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

1. int tcp_v4_conn_request(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
2. {
3.    /*
4.     * 如果半连接队列已满，且 tcp_syncookies 未开启，则直接丢弃该连接
5.     */
6.     if (inet_csk_reqsk_queue_is_full(sk) && !isn) {
7.         want_cookie = tcp_syn_flood_action(sk, skb, "TCP");
8.         if (!want_cookie)
9.                 goto drop;
10.     }
12.    /*
13.     * 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
14.     * inet_csk_reqsk_queue_young 获取没有重传 SYN+ACk 包的连接数量
15.     */
16.     if (sk_acceptq_is_full(sk) && inet_csk_reqsk_queue_young(sk) > 1) {
17.         NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk), LINUX_MIB_LISTENOVERFLOWS);
18.         goto drop;
19.     }
21.     // 分配 request sock 内核对象
22.     req = inet_reqsk_alloc(&tcp_request_sock_ops);
23.     if (!req)
24.         goto drop;
26.     if (want_cookie) {
27.         // 如果开启了 tcp_syncookies 且半连接队列已满，则计算 cookie
28.         isn = cookie_v4_init_sequence(sk, skb, &req->mss);
29.         req->cookie_ts = tmp_opt.tstamp_ok;
30.     } else if (!isn) {
31.          /* 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 */
32.         else if (!sysctl_tcp_syncookies &&
33.                  (sysctl_max_syn_backlog - inet_csk_reqsk_queue_len(sk) <
34.                   (sysctl_max_syn_backlog >> 2)) &&
35.                  !tcp_peer_is_proven(req, dst, false)) {
36.             LIMIT_NETDEBUG(KERN_DEBUG pr_fmt("drop open request from %pI4/%u\n"),
37.                            &saddr, ntohs(tcp_hdr(skb)->source));
38.             goto drop_and_release;
39.         }
40.         isn = tcp_v4_init_sequence(skb);
41.     }
42.     tcp_rsk(req)->snt_isn = isn;
43.     // 构造 syn+ack 响应包
44.     skb_synack = tcp_make_synack(sk, dst, req,
45.         fastopen_cookie_present(&valid_foc) ? &valid_foc : NULL);
46.     if (likely(!do_fastopen)) {
47.         int err;
48.         // 发送 syn+ack 响应包
49.         err = ip_build_and_send_pkt(skb_synack, sk, ireq->loc_addr,
50.              ireq->rmt_addr, ireq->opt);
51.         err = net_xmit_eval(err);
52.         if (err || want_cookie)
53.                 goto drop_and_free;
55.         tcp_rsk(req)->snt_synack = tcp_time_stamp;
56.         tcp_rsk(req)->listener = NULL;
57.         // 添加到半连接队列，并且开启超时重传定时器
58.         inet_csk_reqsk_queue_hash_add(sk, req, TCP_TIMEOUT_INIT);
59.     } else if (tcp_v4_conn_req_fastopen(sk, skb, skb_synack, req))
60.         goto drop_and_free;
61. }

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查看溢出命令
当连接队列溢出时，可以通过 netstart -s 命令查询

1.   # 表示全连接队列溢出的次数，累计值
2.   119005 times the listen queue of a socket overflowed
4.   # 表示半连接队列溢出的次数，累计值
5.   119085 SYNs to LISTEN sockets dropped

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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。
个人开源项目

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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