14.1 并发
并发（Concurrent）是一种程序执行方式，它允许在同一时间段内有多个任务（或线程）同时处于活动状态。尽管在单核处理器上，这些任务并非真正意义上的“同时”执行，而是通过CPU时间片轮转机制，在短时间内快速切换不同任务的执行状态，使得它们看起来像是在并行执行。在多核处理器环境中，不同的任务可以被分配到不同的核心上，真正实现物理上的并发执行。
并发的核心在于CPU调度系统的高效管理和任务间的协调通信。操作系统通过调度算法将CPU时间划分为若干时间段（时间片），并将这些时间段分配给待执行的任务。当一个任务占用CPU执行时，其他任务则进入等待状态。一旦当前任务的时间片用完，操作系统会暂停该任务的执行，将其上下文保存起来，然后恢复下一个任务的上下文，让下一个任务开始执行。这个过程循环往复，实现了多个任务在微观层面的交替执行，宏观上呈现出并发效果。
并发编程能够显著提高系统的资源利用率和响应速度，特别是在处理大量并发用户请求、实时数据处理、多任务协作等场景中发挥着关键作用。然而，并发也带来了诸如竞态条件、死锁、活锁、资源争抢等问题，需要通过恰当的同步机制、锁策略、线程池管理等方式来确保程序的正确性和性能。
14.2 Servlet并发机制
Servlet是Java Web应用中处理客户端请求的核心组件。在Tomcat服务器中，Servlet遵循单实例多线程的设计原则，即对于每一个Servlet类，服务器只会创建一个其实例对象，并通过一个线程池来处理所有针对该Servlet的并发请求。
Servlet并发处理模式：
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串行处理： 在这种模式下，Servlet实例接收到请求后按顺序执行Service方法，只有当前请求的服务过程完全结束，Servlet才会开始处理下一个请求。串行处理虽然保证了请求间互不影响，但其效率低下，无法充分利用系统资源应对高并发场景。
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并发处理： 默认情况下，Servlet采用并发处理模式。当多个请求同时到达时，Servlet容器会选择线程池中的不同线程来并行执行Service方法，从而实现多个请求的同时处理。这种方式显著提升了系统吞吐量，但也意味着Servlet实例的成员变量可能在多个线程间共享，如果没有采取适当的同步措施，可能会引发线程安全问题。
线程安全与同步： 由于Servlet是单实例多线程的，当多个请求同时访问Servlet实例的共享数据时，如果不加以控制，可能会导致数据混乱或不一致。因此，开发人员需要确保Servlet代码的线程安全性，通常通过以下手段实现：
- 避免在Servlet中使用实例变量：尽量将数据封装在请求或会话范围内，避免跨请求共享。
- 使用同步块或同步方法：对访问共享资源的代码块进行同步控制，确保同一时刻只有一个线程访问。
- 使用ThreadLocal：为每个线程提供独立的变量副本，避免直接共享。
- 无状态设计：使Servlet成为无状态服务，每次请求只依赖于请求参数和可能的会话状态，不依赖于Servlet实例的状态。
14.3 Tomcat并发特点
单实例： Tomcat确保每个Servlet类在整个Servlet容器中只有一个实例对象。这样设计的优点在于减少了对象创建的开销，简化了内存管理，但也要求Servlet代码必须适应多线程环境。
多线程： Tomcat通过线程池管理机制来处理并发请求。当接收到新的请求时，容器会选择空闲线程执行Service方法，如果线程池满载，新请求会被暂存入队列等待处理，或者根据配置拒绝服务。多线程使得Servlet可以并行处理请求，提高系统吞吐量。
线程不安全： 默认情况下，Tomcat不对Servlet实例进行任何线程安全保护。这意味着如果有多个线程同时访问Servlet实例的共享数据，可能会出现竞态条件、数据不一致等问题。开发人员需要确保Servlet代码的线程安全性，或者遵循无状态设计原则。
14.4 Tomcat线程模型
探索Tomcat服务器的高性能秘诀，离不开对其底层线程模型的理解。本文将详细阐述Tomcat所支持的四种接收请求处理方式——BIO (Blocking I/O)，NIO (Non-blocking I/O)，APR (Apache Portable Runtime)，以及AIO (Asynchronous I/O)。通过对比分析其工作原理、关键组件、性能特点及适用场景
1.BIO（Blocking I/O）线程模型
原理与组件：
BIO模型基于传统的Java I/O API（如java.io包），每个客户端连接请求都会创建一个单独的线程来处理。Tomcat通过Http11Protocol实现这一模型，核心组件包括JIoEndpoint和Http11Processor。JIoEndpoint负责管理请求处理线程池，每当接收到一个新的连接请求，就会从线程池中取出一个线程来读取和解析HTTP请求，并通过Http11Processor进行后续的业务逻辑处理和响应生成。
性能特点：
- 线性资源消耗：每个连接对应一个线程，高并发场景下可能导致大量线程创建，增加系统资源消耗（CPU、内存）。
- 易受线程上下文切换影响：随着并发请求增多，线程上下文切换频繁，可能降低整体处理效率。
- 简单易用：基于标准Java I/O，无需额外依赖，开发调试相对直观。
应用场景： 适用于并发连接数较低、对响应速度要求不苛刻的小规模应用，或者对异步编程不熟悉的开发环境。
2.NIO（Non-blocking I/O）线程模型
原理与组件：
NIO模型利用Java的非阻塞I/O能力（java.nio包），通过Http11NioProtocol实现。核心组件包括Selector（选择器）、Channel（通道）和NioEndpoint。Selector监控多个Channel，当某个Channel准备好读写操作时，仅需一个或少数几个线程即可处理多个连接。这大大减少了线程数量，降低了系统资源消耗。
性能特点：
- 高效利用资源：少量线程即可处理大量并发连接，减轻了线程上下文切换的负担。
- 事件驱动：基于事件通知机制，线程在等待数据准备就绪时不会阻塞，提高了系统吞吐量。
- 需要适当编程技巧：非阻塞I/O编程相对复杂，需要处理复杂的回调逻辑。
应用场景： 适用于高并发、低延迟的Web服务，特别是对性能敏感且能承受一定开发复杂度的中大型应用。
3.APR（Apache Portable Runtime）线程模型
原理与组件：
APR是C语言编写的高性能运行时库，通过JNI（Java Native Interface）与Java应用程序交互。Tomcat通过Http11AprProtocol实现此模型，直接调用操作系统提供的高效I/O接口，如Linux下的epoll或Windows下的IOCP。APR模型同样采用非阻塞设计，但底层由高效的C库直接处理，进一步提升性能。
性能特点：
- 底层优化：利用操作系统内核特性，减少Java层的开销，提供更高效的I/O操作。
- 跨平台兼容：尽管基于C库，但APR设计目标是跨平台，能在多种操作系统上良好运行。
- 依赖管理：需要正确安装并配置APR库，增加了部署复杂性。
应用场景： 适用于对性能要求极高、具备专业运维能力且愿意接受额外部署复杂性的大规模生产环境。
4.AIO（Asynchronous I/O）线程模型
原理与组件：
AIO模型（全称“异步I/O”）通过Http11AsyncProtocol实现，利用Java 7引入的java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel等API。AIO允许操作系统在I/O操作完成后直接通知应用程序，无需应用程序轮询或维护Selector。这意味着在读写操作期间，线程可以完全释放，仅在操作完成时执行回调处理。
性能特点：
- 真正的异步：线程在发起I/O操作后立即返回，无需等待操作完成，极大提高并发能力。
- 资源利用率极高：由于线程几乎无阻塞，可进一步减少线程数量，降低系统开销。
- Java版本依赖：需要Java 7及以上版本支持，且异步编程模型较复杂。
应用场景： 适用于高度并发、对响应速度要求极高的现代Web服务，特别是那些已经基于异步编程模型构建的应用，以及具备最新Java环境的高性能系统。
5.区别总结
| 线程模型 | 连接处理方式 | 线程资源消耗 | 编程复杂度 | 性能 |
|---|---|---|---|---|
| BIO | 一对一阻塞 | 高 | 低 | 一般 |
| NIO | 多对多非阻塞 | 中 | 中 | 较好 |
| APR | 多对多非阻塞（C库） | 低 | 中 | 极好 |
| AIO | 一对多异步通知 | 极低 | 高 | 最优 |
6.应用场景总结
- BIO：小规模应用，低并发，简单开发环境。
- NIO：中大型应用，高并发，对性能有一定要求，可接受复杂编程。
- APR：大规模生产环境，极高性能需求，专业运维，可处理额外部署复杂性。
- AIO：高度并发场景，已采用异步编程模型，使用最新Java环境，追求极致性能。
通过深入理解Tomcat的四种线程模型，开发者可以根据实际项目需求选择最适合的模型，以实现最佳的系统性能、资源利用率和开发效率。随着技术的发展和硬件能力的提升，NIO和AIO逐渐成为主流选择，而APR则在特定高性能场景中仍保持其独特优势。在实际部署时，应结合具体应用特性和运维条件综合考量，灵活运用这些线程模型以满足不同业务场景的需求。
