Tomcat 性能优化

Performance Optimization

概述

Tomcat性能优化是确保Web应用高效运行的关键。本文将从JVM调优、连接器优化、应用配置等多个维度介绍Tomcat性能优化的方法和技巧。

1. 性能优化概览

1.1 性能优化层次

性能优化层次
├── 系统级优化
│   ├── 操作系统配置
│   ├── 硬件资源
│   └── 网络配置
├── JVM级优化
│   ├── 堆内存配置
│   ├── 垃圾回收器选择
│   └── JVM参数调优
├── Tomcat级优化
│   ├── 连接器配置
│   ├── 线程池调优
│   └── 缓存配置
└── 应用级优化
    ├── 代码优化
    ├── 数据库优化
    └── 静态资源优化

1.2 性能指标

# 关键性能指标
- 吞吐量 (Throughput): 每秒处理的请求数
- 响应时间 (Response Time): 请求处理时间
- 并发用户数 (Concurrent Users): 同时在线用户数
- CPU利用率 (CPU Usage): 处理器使用率
- 内存使用率 (Memory Usage): 内存占用情况
- 错误率 (Error Rate): 请求失败比例

2. JVM性能调优

2.1 堆内存配置

# setenv.sh - 基础内存配置
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -Xms2048m"          # 初始堆大小
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -Xmx4096m"          # 最大堆大小
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:MetaspaceSize=256m"      # 元空间初始大小
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:MaxMetaspaceSize=512m"   # 元空间最大大小

# 新生代配置
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:NewRatio=3"             # 新生代与老年代比例
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:SurvivorRatio=8"        # Eden与Survivor比例

# 直接内存配置
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:MaxDirectMemorySize=1024m"

2.2 垃圾回收器配置

# G1GC配置（推荐用于大堆内存）
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+UseG1GC"
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:MaxGCPauseMillis=200"
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:G1HeapRegionSize=16m"
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:G1NewSizePercent=30"
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:G1MaxNewSizePercent=40"
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:G1MixedGCCountTarget=8"
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45"

# ParallelGC配置（适用于吞吐量优先场景）
# export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+UseParallelGC"
# export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:ParallelGCThreads=8"
# export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:MaxGCPauseMillis=150"

# ZGC配置（Java 11+，超低延迟）
# export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+UnlockExperimentalVMOptions"
# export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+UseZGC"

2.3 GC日志配置

# GC日志配置（Java 8）
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+PrintGC"
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+PrintGCDetails"
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+PrintGCTimeStamps"
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+PrintGCDateStamps"
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+UseGCLogFileRotation"
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:NumberOfGCLogFiles=5"
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:GCLogFileSize=100M"
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -Xloggc:$CATALINA_HOME/logs/gc.log"

# GC日志配置（Java 11+）
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -Xlog:gc*:$CATALINA_HOME/logs/gc.log:time,pid,tid"
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -Xlog:gc*:gc.log:time:filecount=5,filesize=100M"

2.4 其他JVM优化参数

# 性能优化参数
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -server"                    # 服务器模式
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+UseFastAccessorMethods" # 快速访问器
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+AggressiveOpts"        # 激进优化
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+UseBiasedLocking"      # 偏向锁
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+DisableExplicitGC"     # 禁用显式GC

# 字符串优化
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+UseStringDeduplication" # 字符串去重
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+OptimizeStringConcat"   # 字符串连接优化

# 编译优化
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:CompileThreshold=1500"   # 编译阈值
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+TieredCompilation"      # 分层编译

# 内存优化
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+UseCompressedOops"      # 压缩指针
export CATALINA_OPTS="$CATALINA_OPTS -XX:+UseCompressedClassPointers" # 压缩类指针

3. 连接器性能优化

3.1 线程池优化

<!-- 高性能线程池配置 -->
<Executor name="tomcatThreadPool"
          namePrefix="catalina-exec-"
          maxThreads="400"                    <!-- 根据CPU核心数调整 -->
          minSpareThreads="50"                <!-- 预热线程 -->
          maxIdleTime="60000"                 <!-- 空闲超时 -->
          maxQueueSize="100"                  <!-- 队列大小 -->
          prestartminSpareThreads="true"      <!-- 预启动线程 -->
          threadPriority="5"                  <!-- 线程优先级 -->
          daemon="false"/>                    <!-- 非守护线程 -->

<Connector executor="tomcatThreadPool"
           port="8080"
           protocol="org.apache.coyote.http11.Http11NioProtocol"
           connectionTimeout="10000"          <!-- 减少连接超时 -->
           keepAliveTimeout="15000"           <!-- Keep-Alive超时 -->
           maxKeepAliveRequests="200"         <!-- 增加Keep-Alive请求数 -->
           acceptCount="200"                  <!-- 接受队列 -->
           enableLookups="false"              <!-- 禁用DNS查找 -->
           tcpNoDelay="true"                  <!-- 禁用Nagle算法 -->
           compression="on"                   <!-- 启用压缩 -->
           compressionMinSize="2048"/>        <!-- 压缩阈值 -->

3.2 NIO2连接器优化

<Connector port="8080"
           protocol="org.apache.coyote.http11.Http11Nio2Protocol"
           maxThreads="300"
           acceptCount="150"
           connectionTimeout="8000"
           asyncTimeout="5000"
           socket.directBuffer="true"         <!-- 使用直接缓冲区 -->
           socket.directSslBuffer="false"     <!-- SSL使用堆缓冲区 -->
           socket.appReadBufSize="8192"       <!-- 应用读缓冲区 -->
           socket.appWriteBufSize="8192"      <!-- 应用写缓冲区 -->
           socket.bufferPool="500"            <!-- 缓冲池大小 -->
           socket.bufferPoolSize="1048576"/>  <!-- 缓冲池总大小 -->

3.3 APR连接器优化

<Connector port="8080"
           protocol="org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol"
           maxThreads="400"
           acceptCount="200"
           connectionTimeout="8000"
           keepAliveTimeout="15000"
           pollTime="2000"                    <!-- 轮询时间 -->
           pollerSize="32768"                 <!-- 轮询器大小 -->
           sendfileSize="102400"              <!-- Sendfile大小 -->
           deferAccept="true"                 <!-- 延迟接受 -->
           useSendfile="true"/>               <!-- 使用Sendfile -->

4. 应用配置优化

4.1 Context性能配置

<Context reloadable="false"                   <!-- 生产环境禁用重载 -->
         backgroundProcessorDelay="30"        <!-- 后台处理延迟 -->
         scanClassPath="false"                <!-- 禁用类路径扫描 -->
         scanManifest="false"                 <!-- 禁用清单扫描 -->
         antiResourceLocking="false"          <!-- 禁用资源锁定保护 -->
         antiJARLocking="false">              <!-- 禁用JAR锁定保护 -->

  <!-- 资源缓存 -->
  <Resources cachingAllowed="true"
             cacheMaxSize="102400"            <!-- 100MB缓存 -->
             cacheTtl="300000"                <!-- 5分钟TTL -->
             cacheObjectMaxSize="4096"/>      <!-- 4KB最大对象 -->

  <!-- 会话配置 -->
  <Manager className="org.apache.catalina.session.StandardManager"
           maxActiveSessions="1000"           <!-- 最大活跃会话 -->
           sessionIdLength="32"               <!-- 会话ID长度 -->
           randomClass="java.security.SecureRandom"/>
</Context>

4.2 静态资源优化

<!-- 静态资源Servlet优化 -->
<servlet>
    <servlet-name>default</servlet-name>
    <servlet-class>org.apache.catalina.servlets.DefaultServlet</servlet-class>
    <init-param>
        <param-name>listings</param-name>
        <param-value>false</param-value>     <!-- 禁用目录列表 -->
    </init-param>
    <init-param>
        <param-name>gzip</param-name>
        <param-value>true</param-value>      <!-- 启用Gzip -->
    </init-param>
    <init-param>
        <param-name>sendfileSize</param-name>
        <param-value>102400</param-value>    <!-- Sendfile阈值 -->
    </init-param>
    <init-param>
        <param-name>useAcceptRanges</param-name>
        <param-value>true</param-value>      <!-- 支持断点续传 -->
    </init-param>
    <load-on-startup>1</load-on-startup>
</servlet>

4.3 JSP性能优化

<!-- JSP Servlet优化 -->
<servlet>
    <servlet-name>jsp</servlet-name>
    <servlet-class>org.apache.jasper.servlet.JspServlet</servlet-class>
    <init-param>
        <param-name>fork</param-name>
        <param-value>false</param-value>     <!-- 不fork进程 -->
    </init-param>
    <init-param>
        <param-name>development</param-name>
        <param-value>false</param-value>     <!-- 生产模式 -->
    </init-param>
    <init-param>
        <param-name>compilerSourceVM</param-name>
        <param-value>11</param-value>        <!-- Java版本 -->
    </init-param>
    <init-param>
        <param-name>compilerTargetVM</param-name>
        <param-value>11</param-value>        <!-- 目标Java版本 -->
    </init-param>
    <init-param>
        <param-name>genStrAsCharArray</param-name>
        <param-value>true</param-value>      <!-- 字符数组优化 -->
    </init-param>
    <init-param>
        <param-name>trimSpaces</param-name>
        <param-value>true</param-value>      <!-- 去除空白 -->
    </init-param>
    <load-on-startup>3</load-on-startup>
</servlet>

5. 数据库连接池优化

5.1 Tomcat JDBC Pool配置

<Resource name="jdbc/OptimizedDB" 
          auth="Container"
          type="javax.sql.DataSource"
          factory="org.apache.tomcat.jdbc.pool.DataSourceFactory"
          driverClassName="com.mysql.cj.jdbc.Driver"
          url="jdbc:mysql://localhost:3306/mydb?useUnicode=true&amp;characterEncoding=utf8&amp;useSSL=false&amp;serverTimezone=UTC"
          username="dbuser"
          password="dbpass"

          <!-- 连接池大小 -->
          initialSize="10"                    <!-- 初始连接数 -->
          maxActive="100"                     <!-- 最大活跃连接 -->
          maxIdle="30"                        <!-- 最大空闲连接 -->
          minIdle="10"                        <!-- 最小空闲连接 -->

          <!-- 超时配置 -->
          maxWait="10000"                     <!-- 最大等待时间 -->
          maxAge="600000"                     <!-- 连接最大年龄 -->

          <!-- 验证配置 -->
          testOnBorrow="true"                 <!-- 借用时测试 -->
          testOnReturn="false"                <!-- 返还时测试 -->
          testWhileIdle="true"                <!-- 空闲时测试 -->
          validationQuery="SELECT 1"          <!-- 验证查询 -->
          validationInterval="30000"          <!-- 验证间隔 -->

          <!-- 回收配置 -->
          timeBetweenEvictionRunsMillis="30000"  <!-- 回收线程运行间隔 -->
          minEvictableIdleTimeMillis="60000"     <!-- 最小可回收空闲时间 -->
          removeAbandoned="true"                 <!-- 移除废弃连接 -->
          removeAbandonedTimeout="300"           <!-- 废弃超时时间 -->
          logAbandoned="true"                    <!-- 记录废弃连接 -->

          <!-- 性能配置 -->
          useEquals="false"                      <!-- 使用==比较 -->
          useLock="false"                        <!-- 禁用锁 -->
          fairQueue="false"                      <!-- 非公平队列 -->
          jmxEnabled="true"                      <!-- 启用JMX -->

          <!-- 连接属性 -->
          connectionProperties="useServerPrepStmts=true;cachePrepStmts=true;prepStmtCacheSize=250;prepStmtCacheSqlLimit=2048;useLocalSessionState=true;useLocalTransactionState=true"/>

5.2 HikariCP配置

<Resource name="jdbc/HikariDB"
          auth="Container"
          type="javax.sql.DataSource"
          factory="com.zaxxer.hikari.HikariJNDIFactory"
          driverClassName="com.mysql.cj.jdbc.Driver"
          jdbcUrl="jdbc:mysql://localhost:3306/mydb"
          username="dbuser"
          password="dbpass"

          <!-- 连接池配置 -->
          minimumIdle="10"                    <!-- 最小空闲连接 -->
          maximumPoolSize="50"                <!-- 最大连接池大小 -->
          connectionTimeout="20000"           <!-- 连接超时 -->
          idleTimeout="300000"                <!-- 空闲超时 -->
          maxLifetime="1200000"               <!-- 连接最大生命周期 -->

          <!-- 性能配置 -->
          prepStmtCacheSize="250"             <!-- 预编译语句缓存 -->
          prepStmtCacheSqlLimit="2048"        <!-- 预编译语句大小限制 -->
          cachePrepStmts="true"               <!-- 缓存预编译语句 -->
          useServerPrepStmts="true"/>         <!-- 使用服务器预编译语句 -->

6. 系统级优化

6.1 Linux系统优化

#!/bin/bash
# system-optimization.sh

# 修改系统限制
echo "* soft nofile 65535" >> /etc/security/limits.conf
echo "* hard nofile 65535" >> /etc/security/limits.conf
echo "* soft nproc 32768" >> /etc/security/limits.conf
echo "* hard nproc 32768" >> /etc/security/limits.conf

# 内核参数优化
cat >> /etc/sysctl.conf << EOF
# 网络优化
net.core.somaxconn = 65535
net.core.netdev_max_backlog = 5000
net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 8192
net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 6000

# TCP优化
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 600
net.ipv4.tcp_keepalive_probes = 3
net.ipv4.tcp_keepalive_intvl = 15

# 内存优化
vm.swappiness = 1
vm.dirty_ratio = 15
vm.dirty_background_ratio = 5
vm.max_map_count = 262144

# 文件系统优化
fs.file-max = 6815744
EOF

# 应用配置
sysctl -p

6.2 文件系统优化

# 挂载选项优化
mount -o remount,noatime,nodiratime /
echo "/dev/sda1 / ext4 defaults,noatime,nodiratime 0 1" >> /etc/fstab

# 磁盘调度器优化
echo noop > /sys/block/sda/queue/scheduler

# 文件描述符优化
echo 'ulimit -n 65535' >> /etc/profile

7. 性能监控和测试

7.1 性能监控脚本

#!/bin/bash
# performance-monitor.sh

CATALINA_HOME="/opt/tomcat9"
LOG_FILE="/var/log/tomcat-performance.log"

monitor_performance() {
    echo "=== $(date) ===" >> $LOG_FILE

    # JVM内存使用
    JAVA_PID=$(pgrep -f "org.apache.catalina.startup.Bootstrap")
    if [ -n "$JAVA_PID" ]; then
        echo "JVM内存使用:" >> $LOG_FILE
        jstat -gc $JAVA_PID | tail -1 >> $LOG_FILE

        # GC统计
        echo "GC统计:" >> $LOG_FILE
        jstat -gccapacity $JAVA_PID | tail -1 >> $LOG_FILE

        # 线程信息
        echo "线程数: $(jstack $JAVA_PID | grep "^\"" | wc -l)" >> $LOG_FILE
    fi

    # 系统资源
    echo "CPU使用率: $(top -bn1 | grep "Cpu(s)" | awk '{print $2}' | cut -d'%' -f1)" >> $LOG_FILE
    echo "内存使用: $(free | grep Mem | awk '{printf "%.2f%%", $3/$2 * 100.0}')" >> $LOG_FILE

    # 网络连接
    echo "TCP连接数: $(netstat -an | grep ESTABLISHED | wc -l)" >> $LOG_FILE
    echo "TIME_WAIT连接数: $(netstat -an | grep TIME_WAIT | wc -l)" >> $LOG_FILE

    echo "" >> $LOG_FILE
}

# 每5分钟监控一次
while true; do
    monitor_performance
    sleep 300
done

7.2 性能压力测试

#!/bin/bash
# performance-test.sh

# 使用Apache Bench进行测试
test_with_ab() {
    local url=$1
    local requests=${2:-1000}
    local concurrency=${3:-100}

    echo "=== Apache Bench测试 ==="
    echo "URL: $url"
    echo "请求数: $requests"
    echo "并发数: $concurrency"

    ab -n $requests -c $concurrency -g test_results.dat $url
}

# 使用wrk进行测试
test_with_wrk() {
    local url=$1
    local duration=${2:-30s}
    local threads=${3:-4}
    local connections=${4:-100}

    echo "=== wrk测试 ==="
    echo "URL: $url"
    echo "持续时间: $duration"
    echo "线程数: $threads"
    echo "连接数: $connections"

    wrk -t$threads -c$connections -d$duration --latency $url
}

# 综合测试
comprehensive_test() {
    local base_url="http://localhost:8080"

    echo "开始性能测试..."

    # 静态资源测试
    test_with_ab "$base_url/static/test.html" 5000 200

    # 动态内容测试
    test_with_ab "$base_url/dynamic/test.jsp" 2000 100

    # API测试
    test_with_wrk "$base_url/api/test" 60s 8 200

    echo "测试完成"
}

case "$1" in
    "ab") test_with_ab "$2" "$3" "$4" ;;
    "wrk") test_with_wrk "$2" "$3" "$4" "$5" ;;
    "full") comprehensive_test ;;
    *) echo "用法: $0 {ab|wrk|full} [参数...]" ;;
esac

7.3 JVM性能分析

#!/bin/bash
# jvm-analysis.sh

JAVA_PID=$(pgrep -f "org.apache.catalina.startup.Bootstrap")

if [ -z "$JAVA_PID" ]; then
    echo "Tomcat进程未找到"
    exit 1
fi

echo "=== JVM性能分析 ==="
echo "进程ID: $JAVA_PID"

# 堆内存使用情况
echo "1. 堆内存使用:"
jmap -heap $JAVA_PID

# GC统计
echo "2. GC统计:"
jstat -gc $JAVA_PID

# 类加载统计
echo "3. 类加载统计:"
jstat -class $JAVA_PID

# 编译统计
echo "4. 编译统计:"
jstat -compiler $JAVA_PID

# 线程dump
echo "5. 生成线程dump..."
jstack $JAVA_PID > thread_dump_$(date +%Y%m%d_%H%M%S).txt

# 堆dump（当内存使用率过高时）
HEAP_USAGE=$(jstat -gc $JAVA_PID | tail -1 | awk '{print ($3+$4+$6+$8)/($1+$2+$5+$7)*100}')
if (( $(echo "$HEAP_USAGE > 80" | bc -l) )); then
    echo "6. 内存使用率过高($HEAP_USAGE%)，生成堆dump..."
    jmap -dump:format=b,file=heap_dump_$(date +%Y%m%d_%H%M%S).hprof $JAVA_PID
fi

小结

通过本文学习，你应该掌握：

Tomcat性能优化的整体策略和层次
JVM参数调优和垃圾回收器配置
连接器和线程池的性能优化
应用配置和静态资源优化
数据库连接池的性能配置
系统级的优化设置
性能监控和压力测试方法
JVM性能分析和问题诊断

这些优化技巧能够显著提升Tomcat应用的性能表现。

性能优化

Tomcat 性能优化

Performance Optimization

概述

1. 性能优化概览

1.1 性能优化层次

1.2 性能指标

2. JVM性能调优

2.1 堆内存配置

2.2 垃圾回收器配置

2.3 GC日志配置

2.4 其他JVM优化参数

3. 连接器性能优化

3.1 线程池优化

3.2 NIO2连接器优化

3.3 APR连接器优化

4. 应用配置优化

4.1 Context性能配置

4.2 静态资源优化

4.3 JSP性能优化

5. 数据库连接池优化

5.1 Tomcat JDBC Pool配置

5.2 HikariCP配置

6. 系统级优化

6.1 Linux系统优化

6.2 文件系统优化

7. 性能监控和测试

7.1 性能监控脚本

7.2 性能压力测试

7.3 JVM性能分析

小结

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