HttpClient连接池的一些思考

前言

在分布式系统中，http服务调用少不了HttpClient工具类。相信大家使用apache的HttpClient进行http的交互处理已经很长时间了，而httpclient内部其实使用了http连接池，想必大家也没有关心过连接池的管理。事实上，通过分析httpclient源码，发现它很优雅地隐藏了所有的连接池管理细节，开发者完全不用花太多时间去思考连接池的问题。但是连接池的一些常用配置和原理都需要我们多少掌握一些，避免错用导致生产环境出现无法预知的bug。

我之前遇到过生产环境系统使用HttpClient工具类导致系统假死的问题。

情景1：httpclient调用服务时没有设置超时时间，http线程都处于自身阻塞状态，拖垮应用服务器。

情景2：httpclient连接池单个路由最大连接数设置不合理，业务高峰期时无法及时从连接池中获取连接，导致http线程都处于BLOCKED（阻塞于锁）状态，逐渐拖垮应用服务器。

从以上两个场景分析一下，首先对于超时时间的设置，要考虑http请求连接超时、http请求读取内容超时、从连接池中获取可用http连接超时，要根据具体的业务场景合理化配置。还有就是最大连接池数和每个路由最大连接数配置，也需要考虑哪些业务是否有业务高峰期然后合理配置，针对特殊的业务设置使用唯一的HttpClient，即为该业务创建指定的线程池。

Apache官网例子

CloseableHttpClient httpclient = HttpClients.createDefault();
HttpGet httpget = new HttpGet("http://localhost/");
CloseableHttpResponse response = httpclient.execute(httpget);
try {
    HttpEntity entity = response.getEntity();
    if (entity != null) {
        long len = entity.getContentLength();
        if (len != -1 && len < 2048) {
            System.out.println(EntityUtils.toString(entity));
        } else {
            // Stream content out
        }
    }
} finally {
    response.close();
}

HttpClient及其连接池配置

• 整个线程池中最大连接数 MAX_CONNECTION_TOTAL = 800
• 路由到某台主机最大并发数，是MAX_CONNECTION_TOTAL（整个线程池中最大连接数）的一个细分 ROUTE_MAX_COUNT = 500
• 重试次数，防止失败情况 RETRY_COUNT = 3
• 客户端和服务器建立连接的超时时间 CONNECTION_TIME_OUT = 5000
• 客户端从服务器读取数据的超时时间 READ_TIME_OUT = 7000
• 从连接池中获取连接的超时时间 CONNECTION_REQUEST_TIME_OUT = 5000
• 连接空闲超时，清楚闲置的连接 CONNECTION_IDLE_TIME_OUT = 5000
• 连接保持存活时间 DEFAULT_KEEP_ALIVE_TIME_MILLIS = 20 * 1000

MaxtTotal和DefaultMaxPerRoute的区别

• MaxtTotal是整个池子的大小；
• DefaultMaxPerRoute是根据连接到的主机对MaxTotal的一个细分；

比如：MaxtTotal=400，DefaultMaxPerRoute=200，而我只连接到http://hjzgg.com时，到这个主机的并发最多只有200；而不是400；而我连接到http://qyxjj.com 和 http://httls.com时，到每个主机的并发最多只有200；即加起来是400（但不能超过400）。所以起作用的设置是DefaultMaxPerRoute。

HttpClient连接池模型

HttpClient从连接池中获取连接源码分析

org.apache.http.pool.AbstractConnPool

private E getPoolEntryBlocking(
        final T route, final Object state,
        final long timeout, final TimeUnit tunit,
        final PoolEntryFuture<E> future)
            throws IOException, InterruptedException, TimeoutException {

    Date deadline = null;
    if (timeout > 0) {
        deadline = new Date
            (System.currentTimeMillis() + tunit.toMillis(timeout));
    }

    this.lock.lock();
    try {
        final RouteSpecificPool<T, C, E> pool = getPool(route);//这是每一个路由细分出来的连接池
        E entry = null;
        while (entry == null) {
            Asserts.check(!this.isShutDown, "Connection pool shut down");
            //从池子中获取一个可用连接并返回
            for (;;) {
                entry = pool.getFree(state);
                if (entry == null) {
                    break;
                }
                if (entry.isExpired(System.currentTimeMillis())) {
                    entry.close();
                } else if (this.validateAfterInactivity > 0) {
                    if (entry.getUpdated() + this.validateAfterInactivity <= System.currentTimeMillis()) {
                        if (!validate(entry)) {
                            entry.close();
                        }
                    }
                }
                if (entry.isClosed()) {
                    this.available.remove(entry);
                    pool.free(entry, false);
                } else {
                    break;
                }
            }
            if (entry != null) {
                this.available.remove(entry);
                this.leased.add(entry);
                onReuse(entry);
                return entry;
            }

            //创建新的连接
            // New connection is needed
            final int maxPerRoute = getMax(route);//获取当前路由最大并发数
            // Shrink the pool prior to allocating a new connection
            final int excess = Math.max(0, pool.getAllocatedCount() + 1 - maxPerRoute);
            if (excess > 0) {//如果当前路由对应的连接池的连接超过最大路由并发数，获取到最后使用的一次连接，释放掉
                for (int i = 0; i < excess; i++) {
                    final E lastUsed = pool.getLastUsed();
                    if (lastUsed == null) {
                        break;
                    }
                    lastUsed.close();
                    this.available.remove(lastUsed);
                    pool.remove(lastUsed);
                }
            }

            //尝试创建新的连接
            if (pool.getAllocatedCount() < maxPerRoute) {//当前路由对应的连接池可用空闲连接数+当前路由对应的连接池已用连接数 < 当前路由对应的连接池最大并发数
                final int totalUsed = this.leased.size();
                final int freeCapacity = Math.max(this.maxTotal - totalUsed, 0);
                if (freeCapacity > 0) {
                    final int totalAvailable = this.available.size();
                    if (totalAvailable > freeCapacity - 1) {//线程池中可用空闲连接数 > (线程池中最大连接数 - 线程池中已用连接数 - 1)
                        if (!this.available.isEmpty()) {
                            final E lastUsed = this.available.removeLast();
                            lastUsed.close();
                            final RouteSpecificPool<T, C, E> otherpool = getPool(lastUsed.getRoute());
                            otherpool.remove(lastUsed);
                        }
                    }
                    final C conn = this.connFactory.create(route);
                    entry = pool.add(conn);
                    this.leased.add(entry);
                    return entry;
                }
            }

            boolean success = false;
            try {
                pool.queue(future);
                this.pending.add(future);
                success = future.await(deadline);
            } finally {
                // In case of 'success', we were woken up by the
                // connection pool and should now have a connection
                // waiting for us, or else we're shutting down.
                // Just continue in the loop, both cases are checked.
                pool.unqueue(future);
                this.pending.remove(future);
            }
            // check for spurious wakeup vs. timeout
            if (!success && (deadline != null) &&
                (deadline.getTime() <= System.currentTimeMillis())) {
                break;
            }
        }
        throw new TimeoutException("Timeout waiting for connection");
    } finally {
        this.lock.unlock();
    }
}

HttpClient从连接池中获取连接流程图

连接重用和保持策略

http的长连接复用， 其判定规则主要分两类。
  1. http协议支持+请求/响应header指定
  2. 一次交互处理的完整性(响应内容消费干净)
  对于前者, httpclient引入了ConnectionReuseStrategy来处理, 默认的采用如下的约定：

• HTTP/1.0通过在Header中添加Connection:Keep-Alive来表示支持长连接。
• HTTP/1.1默认支持长连接, 除非在Header中显式指定Connection:Close, 才被视为短连接模式。

HttpClientBuilder创建MainClientExec

ConnectionReuseStrategy（连接重用策略）

org.apache.http.impl.client.DefaultClientConnectionReuseStrategy

MainClientExec处理连接

处理完请求后，获取到response，通过ConnectionReuseStrategy判断连接是否可重用，如果是通过ConnectionKeepAliveStrategy获取到连接最长有效时间，并设置连接可重用标记。

连接重用判断逻辑

• request首部中包含Connection:Close，不复用
• response中Content-Length长度设置不正确，不复用
• response首部包含Connection:Close，不复用
• reponse首部包含Connection:Keep-Alive，复用
• 都没命中的情况下，如果HTTP版本高于1.0则复用

更多参考：https://www.cnblogs.com/mumuxinfei/p/9121829.html

连接释放原理分析

HttpClientBuilder会构建一个InternalHttpClient实例，也是CloseableHttpClient实例。InternalHttpClient的doExecute方法来完成一次request的执行。

会继续调用MainClientExec的execute方法，通过连接池管理者获取连接（HttpClientConnection）。

构建ConnectionHolder类型对象，传递连接池管理者对象和当前连接对象。

请求执行完返回HttpResponse类型对象，然后包装成HttpResponseProxy对象（是CloseableHttpResponse实例）返回。

CloseableHttpClient类其中一个execute方法如下，finally方法中会调用HttpResponseProxy对象的close方法释放连接。

最终调用ConnectionHolder的releaseConnection方法释放连接。

CloseableHttpClient类另一个execute方法如下，返回一个HttpResponseProxy对象（是CloseableHttpResponse实例）。 

这种情况下调用者获取了HttpResponseProxy对象，可以直接拿到HttpEntity对象。大家关心的就是操作完HttpEntity对象，使用完InputStream到底需不需要手动关闭流呢？

其实调用者不需要手动关闭流，因为HttpResponseProxy构造方法里有增强HttpEntity的处理方法，如下。

调用者最终拿到的HttpEntity对象是ResponseEntityProxy实例。

ResponseEntityProxy重写了获取InputStream的方法，返回的是EofSensorInputStream类型的InputStream对象。

EofSensorInputStream对象每次读取都会调用checkEOF方法，判断是否已经读取完毕。

checkEOF方法会调用ResponseEntityProxy（实现了EofSensorWatcher接口）对象的eofDetected方法。

EofSensorWatcher#eofDetected方法中会释放连接并关闭流。

综上，通过CloseableHttpClient实例处理请求，无需调用者手动释放连接。

HttpClient在Spring中应用

创建ClientHttpRequestFactory

@Bean
public ClientHttpRequestFactory clientHttpRequestFactory()
        throws KeyStoreException, NoSuchAlgorithmException, KeyManagementException {
    HttpClientBuilder httpClientBuilder = HttpClientBuilder.create();
    SSLContext sslContext = new SSLContextBuilder().loadTrustMaterial(null, (arg0, arg1) -> true).build();

    httpClientBuilder.setSSLContext(sslContext)
            .setMaxConnTotal(MAX_CONNECTION_TOTAL)
            .setMaxConnPerRoute(ROUTE_MAX_COUNT)
            .evictIdleConnections(CONNECTION_IDLE_TIME_OUT, TimeUnit.MILLISECONDS);

    httpClientBuilder.setRetryHandler(new DefaultHttpRequestRetryHandler(RETRY_COUNT, true));
    httpClientBuilder.setKeepAliveStrategy(new DefaultConnectionKeepAliveStrategy());
    CloseableHttpClient client = httpClientBuilder.build();

    HttpComponentsClientHttpRequestFactory clientHttpRequestFactory = new HttpComponentsClientHttpRequestFactory(client);
    clientHttpRequestFactory.setConnectTimeout(CONNECTION_TIME_OUT);
    clientHttpRequestFactory.setReadTimeout(READ_TIME_OUT);
    clientHttpRequestFactory.setConnectionRequestTimeout(CONNECTION_REQUEST_TIME_OUT);
    clientHttpRequestFactory.setBufferRequestBody(false);
    return clientHttpRequestFactory;
}

创建RestTemplate

@Bean
public RestTemplate restTemplate()  {
   RestTemplate restTemplate = new RestTemplate(clientHttpRequestFactory());
        restTemplate.setErrorHandler(new DefaultResponseErrorHandler());
        // 修改StringHttpMessageConverter内容转换器
        restTemplate.getMessageConverters().set(1, new StringHttpMessageConverter(StandardCharsets.UTF_8));
        return restTemplate;
}

Spring官网例子

@SpringBootApplication
public class Application {

    private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(Application.class);

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

    @Bean
    public RestTemplate restTemplate(RestTemplateBuilder builder) {
        return builder.build();
    }

    @Bean
    public CommandLineRunner run(RestTemplate restTemplate) throws Exception {
        return args -> {
            Quote quote = restTemplate.getForObject(
                    "https://gturnquist-quoters.cfapps.io/api/random", Quote.class);
            log.info(quote.toString());
        };
    }
}

应用场景和效果

项目中主要应用场景

微门户系统和腾讯、支付宝第三方服务交互，自定义专属Httpclient连接池。

微门户内部系统之间交互，通用HttpClient连接池。尤其查询用户信息、和微币、手机号段、自助服务这种核心查询服务，量级非常大，一定要使用连接池。

微门户系统和跨团队系统、跨部门系统使用CSF客户端，新版CSF客户端也是使用HttpClient连接池技术。

连接池优点和效果提升

连接池的连接资源重用策略，避免了频繁创建、释放连接引起的大量性能开销，增加了系统运行的平稳性。

连接池统一连接管理策略，避免连接资源泄漏或者大量连接资源创建导致内存溢出。

模拟并发场景，和腾讯使用连接池平均响应时间在50ms~80ms之间。为啥性能提升的这么明显呢？其主要原因就是省去了大量连接建立与释放的时间。

总结

Apache的HttpClient组件可谓良心之作，细细的品味一下源码可以学到很多设计模式和比编码规范。不过在阅读源码之前最好了解一下不同版本的HTTP协议，尤其是HTTP协议的Keep-Alive模式。使用Keep-Alive模式（又称持久连接、连接重用）时，Keep-Alive功能使客户端到服 务器端的连接持续有效，当出现对服务器的后继请求时，Keep-Alive功能避免了建立或者重新建立连接。这里推荐一篇参考链接：https://www.jianshu.com/p/49551bda6619。

个人感觉分布式系统项目中都应该封装一套HttpClient工具类，针对常用参数、连接池信息、服务调用、出网代理、支持Https方式等合理包装，哪些业务可以共用一个HttpClient，哪些业务只能使用专属的HttpClient，避免误用导致生产环境发生无法预知的问题。