由一次线上故障来理解下 TCP 三握、四挥 & Java 堆栈分析到源码的探秘

本文导读:

  • 生产故障场景介绍
  • TCP 建连三次握手过程
  • TCP 断连四次挥手过程
  • 结合 Java 堆栈剖析源码
  • 再从堆栈中找到"罪魁祸首"
  • 问题优化方案总结

1、生产故障场景介绍

业务简介:

该服务主要是提供对外的代理接口,大部分接口都会调用第三方接口,获取数据后做聚合处理后,提供给客户端使用。

有一天晚上,系统正处于高峰期间,项目组小伙伴正在津津有味的吃着「加班餐」,刚把:rice:塞进嘴里,邮件和短信同时发起来告警。

有一台服务器接口超时,平时偶尔也会收到类似告警,有时会因为网络波动等原因。实在不好意思,没事总让人家「网络」同学背锅 : )。但是,这次告警并没有收敛,持续告警了十几分钟以上,感到了不妙。

点击邮件中告警的 URL 接口链接,一直在页面转圈圈,响应很慢,悲剧!

此刻,默默的把:bento:盒饭推到一边去,不忍直视 :(

问题定位基本流程:

1)确定影响范围

该服务后面挂着多台服务器,仅有一台服务器挂掉了,所以对用户不会有太大的影响。

先临时从注册中心上摘掉,别让客户端继续重试到这台机器上了,保留事故现场。

2)排查监控指标

查看接口服务的访问量,因为是晚高峰,因此会比其他时间段用户访问量会更大些,但是这个访问量看上去跟平时同一时段对比,并没有特别明显突增现象。

监控上观察服务器的 CPU、内存、IO、网络指标看起来也一切正常。

3)服务器排查

登录到服务器上,结合监控进一步查看服务器 CPU、内存 等指标,查看服务日志都是正常的,并且也没有发现特别的异常日志输出,Exception 或者 OOM 等异常。

我们看到的现象是,接口服务已经无法正常响应了,应用跑在 JVM 上,快速通过 JDK 自带的常用命令排查一番了。

如下命令打印堆栈信息:

jstack -l $pid > jstack.log

统计结果如下:

cat jstack.log | grep "java.lang.Thread.State" | sort -nr | uniq -c

994    java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
501    java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
7      java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (sleeping)
13     java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (parking)
2      java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (on object monitor)
23     java.lang.Thread.State: RUNNABLE

如果遇到 java.lang.Thread.State: WAITING (parking)、java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor) 这类线程状态,就要引起注意了,一般可能都是程序本身问题导致的。

根据 java.lang.Thread.State: WAITING 查看 jstack.log 里的堆栈信息,发现了了大量的调用 HttpClient 工具类请求等待挂起的日志,具体堆栈信息待下面详细分析。

这些服务调用都是通过 HttpClient 工具直接调用的,对 Spring RestTemplate 做了一次封装,其底层也是调用的 Apache HttpClient 工具类来实现服务调用的。

除看到上述 jstack 日志异常外,还排查了服务器上的网络状态,这也是运维同学们常用的排查手段。

附上统计网络连接状态的命令:

netstat -n | awk '/^tcp/ {++State[$NF]} END {for(i in State) print i, State[i]}'

统计结果:

TIME_WAIT 9
CLOSE_WAIT 3826
SYN_SENT 2
ESTABLISHED 28
SYN_RECV 8

这里注意了,我们看到服务器诡异的网络连接统计中,出现了大量的 CLOSE_WAIT 状态的连接。

而且这个状态,当你间隔一段时间再次执行统计命令,还是会存在,也就是不会被释放掉了,看上去问题有些严重。

进一步猜测,出现这些 CLOSE_WAIT 状态跟接口响应慢应该是有关系的,同时,也跟 java 堆栈信息中出现的 HttpClient 线程阻塞有关系,作为问题突破口去分析。

不如,我们先来了解下 CLOSE_WAIT 状态,这个 CLOSE_WAIT 状态处于 TCP 网络断开连接过程中,当客户端发起断连请求,服务端首次收到断连请求,回复确认消息,之后便处于 CLOSE_WAIT 状态了,当服务端响应处理完毕会回复网络包给客户端,正常连接会被关闭掉的。

2、 TCP 建连三次握手过程

尽管 CLOSE_WAIT 状态是在 TCP 网络连接四次挥手过程中的。我们还是有必要,先来了解下 TCP 网络连接的三次握手,因为它是请求服务器要做的第一件事情,那就是建立 TCP 连接。

技术源于生活。

我们可以举个日常生活中的例子来理解 TCP 三次握手的过程。

比如你在微信上想与一位很久未曾谋面的朋友聊一聊:

小东:小升,在吗?

(过了很久... ... )

小升: 在了,你还在吗?

(小东刚好在线,天天刷朋友圈... ... )

小东:嗯嗯,在了

(然后两位开始热聊起来... ...)

如果你平时跟朋友,开头总这么聊天是不是觉得很累呢。

其实上面的过程,可以很好的理解 TCP 三次握手的过程。

我们姑且将 小东 看做是「 客户端 」, 小升 看做是「 服务端 」。

小东是做名程序员,做 IT 工作。小升在老家开店创业中。

理解TCP三次握手过程:

1)小东作为「客户端」,向作为「服务端」的小升发起聊天,就是发送了一个网络包(包签名为 syn )给小升。【这是 TCP 第一次握手 ,小东状态此时处于 syn_sent 状态】

2)小升收到了小东的聊天网络包,你得确认下吧,表示你收到了。此时,小升还有别的事情,不像小东那样搞 IT 工作的,上班还上着微信。到了晚上,小升得空看了一眼手机微信,弹出了小东的消息。然后,激动的做了个回复「 针对小东发来的 sync 包,做了个 ack 回复确认」。因隔了一段时间了,小升也不确定小东还在不在线了。【这是 TCP 第二次握手 ,小升状态此时处于 syn_rcvd 状态 】

3)小东因为刚好在线,收到了小升的回复确认消息,马上对这次消息做了一个回复「对着小升给的 sync + ack ,做了进一步 ack 回复确认,这是 TCP 第三次握手 」 。【小升状态此时变成了 established 可马上聊天状态】

4)此时,小升也在线,两位就开始热聊起来了。【正式传输数据了,小东和小升的状态都处于 established 状态】

上述提到的那些状态 syn_sent syn_rcvd established ,正是 TCP 三次握手过程中涉及的关键状态。

上一张图来直观理解下:

3、 TCP 断连四次挥手过程

小东和小升的热聊结束了,已经很晚了,也忙了一天了,需要休息了。

小东因工作原因明天要早起,所以提前跟小升说了:

小东:明天要凌晨4点起床升级系统,我要早点休息了,改天过来请你喝酒!

小升:额 ???这样,反正我也不懂!

小升:那你早点休息吧。你说的这顿酒还是要喝的!

小东:嗯嗯,晚安啊!你也早点休息。

小升:好的,晚安,兄弟!

对应理解 TCP 四次挥手过程:

1)小东要休息了,发起了 fin1 包打算结束聊天了。【小东状态此时处于 fin_wait1 状态,这是 TCP 第一次挥手

2)小升收到了小东的 fin1 包,回复了 ack 确认消息。【此时,小升状态处于 close_wait 状态,小东此时状态为 fin_wait2 ,这是 TCP 第二次挥手

3)小升来了一次最后确认,不打算继续聊了,发送了 fin2 包。【此时,小升状态处于 last_ack 状态,这是 TCP 第三次挥手

4)小东针对小升发来的 fin2 包,最终回复了个 ack 确认。【此时,小东状态处于 time_wait 状态,这是 TCP 第四次挥手

为什么小东还要处于 time_wait 状态等一下呢?

因为他们按照「老规矩」,得确保最后这次消息小升的确收到了,才能最终结束这次聊天。

time_wait 状态标准持续等待时间是** 4 ** 分钟,在这段时间内,小东和小升建立的 TCP 网络连接套接字资源(端口),是不能被其他人所使用的,也不能被系统回收重新利用的。

如果小升没有收到反馈,还会继续问下「重发 fin2 消息」,直到小东发送了 ack 消息成功了。

双方正式关闭聊天通道,释放端口资源,连接关闭。

等待的 4 分钟就是 2 个 MSL,每个 MSL 是 2 分钟。MSL就是 maximium segment lifetime——最长报文寿命。这个时间是由官方 RFC 协议规定的。

上一张图,进一步直观理解下:

4、结合 Java 堆栈剖析源码

分析完 TCP 四次挥手过程了,当服务端接收到 TCP 断开连接的请求包,需要回复一个确认消息给客户端,此时服务端状态便处于 CLOSE_WAIT 状态了。

我们清楚了该状态所在的网络连接中的位置,结合前文中提到的问题,大量的线程阻塞在了 HttpClient 调用上。线程状态为 WAITING,服务器上统计出来,有大量处于 CLOSE_WAIT 状态的网络连接无法释放。

线程是 JVM 进程中比较宝贵的资源,如果一直有大量线程处于等待或阻塞状态,慢慢的所有线程都被占满,导致服务没法正常响应了。

我们来通过 java 线程堆栈信息,再结合源码来分析下具体原因。

找到 第一段关键的堆栈日志

"http-nio-8970-exec-1108" #24971 daemon prio=5 os_prio=0 tid=0x00007f45b4445800 nid=0x61ad waiting on condition [0x00007f444ad69000]
java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
        at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
        - parking to wait for  <0x00000006c2f30968> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject)
        at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:175)
        at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2039)
        at org.apache.http.pool.AbstractConnPool.getPoolEntryBlocking(AbstractConnPool.java:380)
        at org.apache.http.pool.AbstractConnPool.access$200(AbstractConnPool.java:69)
        at org.apache.http.pool.AbstractConnPool$2.get(AbstractConnPool.java:246)
        - locked <0x0000000641c7fe38> (a org.apache.http.pool.AbstractConnPool$2)
        at org.apache.http.pool.AbstractConnPool$2.get(AbstractConnPool.java:193)
        at org.apache.http.impl.conn.PoolingHttpClientConnectionManager.leaseConnection(PoolingHttpClientConnectionManager.java:303)
        at org.apache.http.impl.conn.PoolingHttpClientConnectionManager$1.get(PoolingHttpClientConnectionManager.java:279)
        at org.apache.http.impl.execchain.MainClientExec.execute(MainClientExec.java:191)
        at org.apache.http.impl.execchain.ProtocolExec.execute(ProtocolExec.java:185)
        at org.apache.http.impl.execchain.RetryExec.execute(RetryExec.java:89)
        at org.apache.http.impl.execchain.RedirectExec.execute(RedirectExec.java:111)
        at org.apache.http.impl.client.InternalHttpClient.doExecute(InternalHttpClient.java:185)
        at org.apache.http.impl.client.CloseableHttpClient.execute(CloseableHttpClient.java:83)
        at org.apache.http.impl.client.CloseableHttpClient.execute(CloseableHttpClient.java:56)
        at org.springframework.http.client.HttpComponentsClientHttpRequest.executeInternal(HttpComponentsClientHttpRequest.java:89)
        at org.springframework.http.client.AbstractBufferingClientHttpRequest.executeInternal(AbstractBufferingClientHttpRequest.java:48)
        at org.springframework.http.client.AbstractClientHttpRequest.execute(AbstractClientHttpRequest.java:53)
        at org.springframework.web.client.RestTemplate.doExecute(RestTemplate.java:660)
        at org.springframework.web.client.RestTemplate.execute(RestTemplate.java:629)
        at org.springframework.web.client.RestTemplate.getForEntity(RestTemplate.java:329)
        at com.xxx.proxy.common.util.HttpClientUtil.getForEntity(HttpClientUtil.java:267)
        at com.xxx.proxy.common.util.HttpClientUtil.getForObject(HttpClientUtil.java:521)
... ...

堆栈日志中出现了大量的上述日志,基本都是 HttpClient 工具类所调用的,所有线程状态处于 java.lang.Thread.State: WAITING (parking) 状态。

出现 WAITING (parking) 线程挂起状态,因为接口服务内部大量调用了第三方接口,要获取 Http 连接,但始终无法获取到,只能等待。

HttpClientUtil 工具类是继承自 Spring RestTemplate 并做了一些参数、重试机制、代理定制,其包路径位于 org.springframework.web.client.RestTemplate

类图如下所示:

创建 HttpClient 工具示例代码:

HttpClientFactoryBean httpClientFactoryBean = new HttpClientFactoryBean(config);
                    HttpComponentsClientHttpRequestFactory httpRequestFactory = new HttpComponentsClientHttpRequestFactory(httpClientFactoryBean.getObject());
                    return new HttpClientUtil(httpRequestFactory);

HttpClientFactoryBean 继承自 AbstractFactoryBean,重写 getObjectType() 和 createInstance() 方法。

类图如下所示:

HttpClientFactoryBean 部分示例方法:

@Override
public Class<?> getObjectType() {
        return HttpClient.class;
}
        
@Override
protected HttpClient createInstance() {
    if (restConfig == null) {
            HttpClients.custom().build();
    }
    // 每个路由最大的连接数
    int maxPerRoute = restConfig.getMaxConnections();
    // 总的最大连接数
    int maxTotal = restConfig.getMaxTotalConnections();
    // 连接超时时间
    int connectTimeout = restConfig.getConnectionTimeout();
  // 读取数据的超时时间
    int socketTimeout = restConfig.getTimeout();
    
    PoolingHttpClientConnectionManager connManager = new PoolingHttpClientConnectionManager(30, TimeUnit.SECONDS);
    connManager.setDefaultMaxPerRoute(maxPerRoute);
    connManager.setMaxTotal(maxTotal);
    connManager.setValidateAfterInactivity(1000);

    RequestConfig requestConfig = RequestConfig.custom().setConnectTimeout(connectTimeout)      .setSocketTimeout(socketTimeout).build();

/ ... 省略部分代码
return HttpClients.custom().setConnectionManager(connManager).evictExpiredConnections().setDefaultRequestConfig(requestConfig).build();
}

根据堆栈信息也能看到是从 PoolingHttpClientConnectionManager 的 leaseConnection() 方法获取连接,那我们可以详细看下源代码,为什么没有获取成功呢?

怎么查找源码,通过堆栈信息中的调用栈链路,就能非常容易的找到经过了哪些类哪些方法,第多少行代码。

根据上面jstack中的日志:

org.apache.http.pool.AbstractConnPool.getPoolEntryBlocking(AbstractConnPool.java:380)

根据名称猜测,通过 AbstractConnPool 抽象连接池的类,调用 getPoolEntryBlocking 阻塞式方法获取连接,第 380 行代码。

查看源码:

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

    Date deadline = null;
    // 连接获取超时时间参数
    if (timeout > 0) {
            deadline = new Date (System.currentTimeMillis() + tunit.toMillis(timeout));
    }
    this.lock.lock();
    try {
            final RouteSpecificPool<T, C, E> pool = getPool(route);
            // .... 省略部分源码

            boolean success = false;
            try {
                    if (future.isCancelled()) {
                            throw new InterruptedException("Operation interrupted");
                    }
                    // 将 future,实际类型为 Future<CPoolEntry>,放入 pending 双向链表队列中
                    pool.queue(future);
                    this.pending.add(future);
                    if (deadline != null) {
                            success = this.condition.awaitUntil(deadline);
                    } else {
                         // 这里正是第 380 行源代码
                            this.condition.await();
                            success = true;
                    }
                    if (future.isCancelled()) {
                            throw new InterruptedException("Operation interrupted");
                    }
            } 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();
    }
}

查找到第 380 行源码,调用了 condition 的 await() 方法:

this.condition.await();

这里使用了并发包下的 Condition 实现多线程协调通讯机制,await() 方法调用后,会将当前线程加入到 Condition 等待队列中,是一个FIFO结构的队列,同时当前线程锁释放,如果不释放,会导致其他线程无法获得锁,可能造成死锁。

await() 方法源码:

public final void await() throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
        // 加入 Condition 等待队列
        Node node = addConditionWaiter();
        // 释放当前线程的锁
        long savedState = fullyRelease(node);
        int interruptMode = 0;
        // 不在 AQS 同步队列中,将当前线程挂起,如果在 AQS 队列中退出循环
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
                LockSupport.park(this);
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                        break;
        }
        // 已被 signal() 方法唤醒,自旋等待尝试再次获取锁
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
                unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}

当前线程加入 Condition 等待队列结构图:

当通过 Condtion 调用 signalAll() 或者 signal() 方法时,会获取等待队列的首节点,将其移动到同步队列,利用 LockSupport 唤醒节点中的线程。节点从等待队列,移动到 AQS 同步队列如下结构图所示:

在 AbstractConnPool 类的找到了 release() 释放连接的代码。

release() 方法源码如下:

@Override
public void release(final E entry, final boolean reusable) {
        this.lock.lock();
    try {
        if (this.leased.remove(entry)) {
                final RouteSpecificPool<T, C, E> pool = getPool(entry.getRoute());
                pool.free(entry, reusable);
                if (reusable && !this.isShutDown) {
                        this.available.addFirst(entry);
                } else {
                        entry.close();
                }
                onRelease(entry);
                Future<E> future = pool.nextPending();
                if (future != null) {
                        this.pending.remove(future);
                } else {
                        future = this.pending.poll();
                }
                if (future != null) {
                        this.condition.signalAll();
                }
        }
    } finally {
            this.lock.unlock();
    }
}

我们看到了释放连接时,调用 this.condition.signalAll(); signalAll() 方法的调用会唤醒所有的所有等待队列线程,虽然唤醒所有,但是仍然只有一个线程能拿到锁,其他线程还是需要自旋等待。

signalAll() 方法源码如下:

private void doSignalAll(Node first) {
    lastWaiter = firstWaiter = null;
    do {
            Node next = first.nextWaiter;
            first.nextWaiter = null;
            // 信号通知
            transferForSignal(first);
            first = next;
    } while (first != null);
}

final boolean transferForSignal(Node node) {
    /*
     * 设置node的waitStatus:Condition->0
     */
    if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
        return false;

         // 加入到AQS的等待队列,让节点继续获取锁,设置前置节点状态为SIGNAL
    Node p = enq(node);
    int c = p.waitStatus;
    if (c > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, c, Node.SIGNAL))
            // 调用 LockSupport 的 unpark() 方法唤醒线程
        LockSupport.unpark(node.thread);
    return true;
}

剖析完了底层代码,回过头去,我们看下是因为调用到了 condition 的 await() 无参方法,并且一直无法获得 Http 连接,然后一直占着 tomcat 线程的坑。

getPoolEntryBlocking() 方法的最开始,有个不能忽视的一段代码:

Date deadline = null;
// 连接获取超时时间参数
if (timeout > 0) {
    deadline = new Date (System.currentTimeMillis() + tunit.toMillis(timeout));
}

这段代码一看就是超时时间,猜测一下,代码在此处,timeout 应该就是从连接池获取连接时的等待时间。

getPoolEntryBocking() 方法的下面看到:

if (deadline != null) {
        success = this.condition.awaitUntil(deadline);
}

如果 deadline 不为空,会调用 condtion 的 awaitUtil(deadline) 方法,awaitUtil(deadline) 发方法表示直到达到 deadline 时间还未唤醒,就会自动唤醒,加入 AQS 同步队列获取锁。

我们可以根据堆栈信息继续往前查找调用者,看看 deadline 中的 timeout 来源。

at org.apache.http.impl.execchain.MainClientExec.execute(MainClientExec.java:191)

MainClientExec#execute() 方法部分源码:

final HttpClientConnection managedConn;
    try {
        final int timeout = config.getConnectionRequestTimeout();
        managedConn = connRequest.get(timeout > 0 ? timeout : 0, TimeUnit.MILLISECONDS);
    } catch(final InterruptedException interrupted) {
}

这里的 timeout,即 connectionRequestTimeout,正是计算 deadline 时间的 timeout 值。

印证了我们的猜测。

初始化 HttpClient 工具的初始配置参数,并没有配置 connectionRequestTimeout 这个参数的,该参数也是很关键的,如果没有设置,并且被 park 挂起的线程一直没有被 signal 唤醒,那么会一直等待下去。

所以,必须得设置这个参数。这里的 deadline 是个绝对时间,不为空时,会调用 condition 的 awaitUtil(deadline) 方法,即使没有被 signal 唤醒,也会自动唤醒,去争抢锁,而不会导致未被唤醒就一直阻塞下去。

而且这个 awaitUtil(deadline) 方法跟 awaitNanos(long nanosTimeout) 方法里的 deadline 变量设计上异曲同工。

达到了设定的超时时间,并且没有 signal 过,最终 success 变量为 false 不成功,直接 break 跳出循环,最终会抛出 TimeoutException("Timeout waiting for connection") 异常。

抛出这个异常,系统错误日志中,也就明确了是因为无法获得连接导致的。同时,也避免了一直占用着线程。

5、再从堆栈中找到"罪魁祸首"

上一节,从第一段堆栈日志分析到了 Condition 并发底层源码细节。

但是这还没完,因为我们统计 java.lang.Thread.State 中,仅分析完了 WAITING (parking) 状态,问题原因也不一定是这个状态导致的。接下来继续分析另外的「异常」线程状态 WAITING (on object monitor)

在 java 堆栈中 第二段关键的日志 如下:

"http-nio-8970-exec-462" #24297 daemon prio=5 os_prio=0 tid=0x00007f45b41bd000 nid=0x5f0b in Object.wait() [0x00007f446befa000]
 java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
            at java.lang.Object.wait(Native Method)
            at java.lang.Object.wait(Object.java:502)
            at java.net.InetAddress.checkLookupTable(InetAddress.java:1393)
            - locked <0x00000006c05a5570> (a java.util.HashMap)
            at java.net.InetAddress.getAddressesFromNameService(InetAddress.java:1310)
            at java.net.InetAddress.getAllByName0(InetAddress.java:1276)
            at java.net.InetAddress.getAllByName(InetAddress.java:1192)
            at java.net.InetAddress.getAllByName(InetAddress.java:1126)
            at org.apache.http.impl.conn.SystemDefaultDnsResolver.resolve(SystemDefaultDnsResolver.java:45)
            at org.apache.http.impl.conn.DefaultHttpClientConnectionOperator.connect(DefaultHttpClientConnectionOperator.java:112)
            at org.apache.http.impl.conn.PoolingHttpClientConnectionManager.connect(PoolingHttpClientConnectionManager.java:373)
            at org.apache.http.impl.execchain.MainClientExec.establishRoute(MainClientExec.java:381)
            at org.apache.http.impl.execchain.MainClientExec.execute(MainClientExec.java:237)
            at org.apache.http.impl.execchain.ProtocolExec.execute(ProtocolExec.java:185)
            at org.apache.http.impl.execchain.RetryExec.execute(RetryExec.java:89)
            at org.apache.http.impl.execchain.RedirectExec.execute(RedirectExec.java:111)
            at org.apache.http.impl.client.InternalHttpClient.doExecute(InternalHttpClient.java:185)
            at org.apache.http.impl.client.CloseableHttpClient.execute(CloseableHttpClient.java:83)
            at org.apache.http.impl.client.CloseableHttpClient.execute(CloseableHttpClient.java:56)
            at org.springframework.http.client.HttpComponentsClientHttpRequest.executeInternal(HttpComponentsClientHttpRequest.java:89)
            at org.springframework.http.client.AbstractBufferingClientHttpRequest.executeInternal(AbstractBufferingClientHttpRequest.java:48)
            at org.springframework.http.client.AbstractClientHttpRequest.execute(AbstractClientHttpRequest.java:53)
            at org.springframework.web.client.RestTemplate.doExecute(RestTemplate.java:660)
            at org.springframework.web.client.RestTemplate.execute(RestTemplate.java:629)
            at org.springframework.web.client.RestTemplate.getForEntity(RestTemplate.java:329)
            at com.xxx.tvproxy.common.util.HttpClientUtil.getForEntity(HttpClientUtil.java:267)
            at com.xxx.tvproxy.common.util.HttpClientUtil.getForObject(HttpClientUtil.java:521)
``

java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor),这样的线程状态也要引起格外的注意,监视对象锁,并且一直阻塞着线程不释放。

根据线程堆栈信息看,猜测就是跟 HttpClient 参数设置有关,我们来分析下创建参数。
查找栈顶信息看到了有调用 Object 对象的 wait() 方法,说明是在等待另外的线程 notify 通知,但迟迟未等到,当前线程就一直处于 WAITING 状态。

继续查找是谁调用的:

at java.net.InetAddress.checkLookupTable(InetAddress.java:1393)

``

这段代码调用引起,还是要去看下源码:

private static InetAddress[] checkLookupTable(String host) {
    synchronized (lookupTable) {
        // If the host isn't in the lookupTable, add it in the
        // lookuptable and return null. The caller should do
        // the lookup.
        if (lookupTable.containsKey(host) == false) {
                lookupTable.put(host, null);
                return null;
        }

        // If the host is in the lookupTable, it means that another
        // thread is trying to look up the addresses of this host.
        // This thread should wait.
        while (lookupTable.containsKey(host)) {
                try {
                        // 对应堆栈中的 java.net.InetAddress.checkLookupTable(InetAddress.java:1393)
                        lookupTable.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                }
        }
    }

    // The other thread has finished looking up the addresses of
    // the host. This thread should retry to get the addresses
    // from the addressCache. If it doesn't get the addresses from
    // the cache, it will try to look up the addresses itself.
    InetAddress[] addresses = getCachedAddresses(host);
    if (addresses == null) {
        synchronized (lookupTable) {
                lookupTable.put(host, null);
                return null;
        }
    }

    return addresses;
}

找到了是 lookupTable 对象,使用了同步块锁 synchronized,内部调用了 lookupTable 对象的 wait() 方法,就是在这里等不到通知,一直阻塞着。

这个问题代码排查一通,你是看不出什么问题来的,因为跟应用程序本身关系不大了,是因为 IPV6 导致的 JVM 线程死锁问题。

参考国外 zimbra 站点 wiki:https://wiki.zimbra.com/wiki/Configuring_for_IPv4

这里解释下问题产生的原因:

应用本身在 IPv4 环境下,如果尝试使用了 IPv6 会导致一些已知问题。

当调用了 Inet6AddressImpl.lookupAllHostAddr() 方法,因为 Java 与操作系统 libc 库之间存在一个bug,当特定的竞态条件发生时,将会导致查找 host 地址动作一直无限循环下去。这种情况发生的频率很低,但是一旦发生将会导致 JVM 死锁问题,进而导致 JVM 中所有线程会被阻塞住。

根据上述分析,在 jstack 堆栈中找到了 第三段关键的堆栈日志 如下:

java.lang.Thread.State: RUNNABLE
   at java.net.Inet6AddressImpl.lookupAllHostAddr(Native Method)
   at java.net.InetAddress$2.lookupAllHostAddr(InetAddress.java:928)
   at java.net.InetAddress.getAddressesFromNameService(InetAddress.java:1323)
   at java.net.InetAddress.getAllByName0(InetAddress.java:1276)
   at java.net.InetAddress.getAllByName(InetAddress.java:1192)
   at java.net.InetAddress.getAllByName(InetAddress.java:1126)
   at org.apache.http.impl.conn.SystemDefaultDnsResolver.resolve(SystemDefaultDnsResolver.java:45)
   at org.apache.http.impl.conn.DefaultHttpClientConnectionOperator.connect(DefaultHttpClientConnectionOperator.java:112)
   at org.apache.http.impl.conn.PoolingHttpClientConnectionManager.connect(PoolingHttpClientConnectionManager.java:373)
   at org.apache.http.impl.execchain.MainClientExec.establishRoute(MainClientExec.java:381)
   at org.apache.http.impl.execchain.MainClientExec.execute(MainClientExec.java:237)
   at org.apache.http.impl.execchain.ProtocolExec.execute(ProtocolExec.java:185)
   at org.apache.http.impl.execchain.RetryExec.execute(RetryExec.java:89)
   at org.apache.http.impl.execchain.RedirectExec.execute(RedirectExec.java:111)
   at org.apache.http.impl.client.InternalHttpClient.doExecute(InternalHttpClient.java:185)
   at org.apache.http.impl.client.CloseableHttpClient.execute(CloseableHttpClient.java:83)
   at org.apache.http.impl.client.CloseableHttpClient.execute(CloseableHttpClient.java:56)
   at
   ... ...

如何判断操作系统是否启用了 IPv6 ?

介绍两种方式:

1)ifconfig

这个很明显就能看得出来,有 inet6 addr 字样说明启用了 IPv6。

2)lsmod

[root@BJ]# lsmod | grep ipv6
Module                  Size  Used by
ipv6                  335951  73 bridge

主要看 Used 这一列,数值 70+,不支持 IPv6 环境 Used 列是 1。

6、问题优化方案总结

经过对 java 堆栈中关键线程状态的分析,明确了问题原因,接下来说下问题解决方案。

第一个问题:

针对从 Http 连接池中获取不到连接时,可能使线程进入阻塞状态。

在 HttpClient 客户端初始化参数配置中增加 connectionRequestTimeout ,获取连接的超时时间,一般不建议过大,我们设置为 500ms。

设置后,就会调用底层的 condition#awaitUtil(deadline) 方法,当线程无法被 signal 唤醒,到达了 deadline 绝对时间后,线程会自动从等待队列中被唤醒,加入到 AQS 同步队列争抢锁。

第二个问题:

针对 IPv6 导致的 JVM 进程死锁问题,有两种解决方案:

1)操作系统层面禁用 IPv6

编辑 /etc/sysctl.conf 文件

添加下面两行:

net.ipv6.conf.all.disable_ipv6 = 1
net.ipv6.conf.default.disable_ipv6 = 1

保存,执行 sysctl -p 使其生效。

运行操作系统中执行如下命令直接生效:

sysctl -w net.ipv6.conf.all.disable_ipv6=1
sysctl -w net.ipv6.conf.default.disable_ipv6=1

2)Java 应用程序层面

在应用 JVM 启动参数上添加 -Djava.net.preferIPv4Stack=true

从操作系统层面禁用 IPv6,如果服务器上还部署了其他应用,注意观察下,如果遇到一些问题可以借助搜索引擎查下。

我们有很多台服务器,都是运维来维护的,所以我采用了第二种方式,直接在 JVM 上增加参数,简单方便。

最后的总结:

java 堆栈日志中两个关键的 WAITING 线程状态,先出现了 WAITING (on object monitor) ,因 IPv6 问题触发了 HttpClient 线程池所有线程阻塞。后出现了 WAITING (parking) ,Tomcat 线程接收转发请求,当请求调用到 HttpClient,因无法获得 Http 连接资源,且未设置获取连接的超时时间,造成了大量线程阻塞。

经过对上述两个问题的优化后,上线观察很长一段时间,也经历过比这次问题出现时更高的访问量,再没有出现过 JVM 线程阻塞问题。

通过网络命令行统计,基本不会出现大量的 CLOSE_WAIT 网络连接状态。

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