背景

客戶生產(chǎn)環(huán)境的業(yè)務(wù)系統(tǒng)能夠正常訪問，但是業(yè)務(wù)無法正常進(jìn)行，排查日志發(fā)現(xiàn)大量的java.io.IOException: Broken pipe 的異常，處理問題后以此文章作為記錄。

業(yè)務(wù)系統(tǒng)的前端頁面接收后端傳來的圖片顯示在前端頁面進(jìn)行業(yè)務(wù)操作，但是現(xiàn)在前端頁面的圖片無法正常顯示，業(yè)務(wù)系統(tǒng)可正常訪問，其他功能均正常。

原因分析

我們需要從以下幾個角度來分析

1 . 首先排查日志根據(jù)異常的拋出點判斷問題發(fā)生原因

排查問題發(fā)生時間的日志發(fā)現(xiàn)拋出了一個io異常 java.io.IOException: Broken pipe 斷開的管道

在查看最底部的堆棧信息看看是哪里拋出的異常

觀察最底部的堆棧信息發(fā)現(xiàn)異常是在 OutputBuffer 類的 realWriteBytes 方法中拋出的。

2 . 從源碼角度進(jìn)一步分析

首先我們要清楚realWriteBytes 方法是 Tomcat 中 OutputBuffer 類的一部分，它用于將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)寫入到目標(biāo)輸出流（通常是網(wǎng)絡(luò)套接字）。這個方法是 OutputBuffer 類的核心方法之一，用于處理數(shù)據(jù)寫入的底層細(xì)節(jié)。

在源碼中可以看到realWriteBytes 方法調(diào)用 doWrite(buf) 方法，實際的數(shù)據(jù)寫入由 coyoteResponse 的 doWrite 方法完成，該方法將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)寫入到網(wǎng)絡(luò)套接字。如果在寫入過程中拋出了 CloseNowException，則關(guān)閉輸出流并重新拋出異常，如果發(fā)生 IOException，則會調(diào)用 setErrorException(e) 來記錄錯誤，然后拋出 ClientAbortException。

3 . 網(wǎng)絡(luò)套接字 (Socket)和通信管道 (Pipe)定義

在了解Broken Pipe異常的含義前首先讓我們了解一下網(wǎng)絡(luò)通信過程中網(wǎng)絡(luò)套接字(Socket)和通信管道（Pipe）的使用

網(wǎng)絡(luò)套接字 (Socket)

• 定義：網(wǎng)絡(luò)套接字是一個通信端點，它用于在網(wǎng)絡(luò)上建立和管理連接。一個套接字代表通信的一個端點，它是由IP地址和端口號的組合所標(biāo)識的。套接字允許在不同的計算機(jī)之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通信的大多數(shù)協(xié)議（如TCP、UDP）都依賴于套接字來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

• 工作方式：

• TCP連接：在TCP協(xié)議中，套接字提供了一種面向連接的、可靠的通信方式。客戶端和服務(wù)器通過套接字建立連接，然后在這個連接上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

• UDP連接：在UDP協(xié)議中，套接字提供了無連接的、盡力而為的通信方式。數(shù)據(jù)通過UDP套接字發(fā)送到目標(biāo)地址，而不保證可靠的傳輸。

通信管道 (Pipe)

• 定義：在計算機(jī)科學(xué)中，通信管道是一種用于在同一臺計算機(jī)上的進(jìn)程之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)制。管道提供了一個雙向或單向的數(shù)據(jù)流通道，進(jìn)程可以通過管道發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

• 工作方式：

• 匿名管道：通常用于在父子進(jìn)程之間傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從一端寫入，從另一端讀取。

• 命名管道 (FIFO)：可以用于不同進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)傳輸，甚至可以在不同用戶之間共享。

Pipe 在網(wǎng)絡(luò)通信中的抽象意義

現(xiàn)在本文中我們討論的網(wǎng)絡(luò)通信的上下文的術(shù)語“pipe”并不是指進(jìn)程間通信的物理管道，而是指客戶端和服務(wù)器之間的通過網(wǎng)絡(luò)套接字建立的數(shù)據(jù)傳輸路徑。在實際的網(wǎng)絡(luò)通信中，客戶端與服務(wù)器之間通過套接字建立連接，這個連接就是通信的“管道”。數(shù)據(jù)通過這個“管道”進(jìn)行傳輸?？梢詫⑺醋魇且粭l“虛擬通道”，通過這個通道，客戶端和服務(wù)器之間可以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。

由于**套接字（Socket）**并不是嚴(yán)格意義上發(fā)生在單一層的概念，而是跨越了傳輸層和應(yīng)用層。套接字編程發(fā)生在應(yīng)用層。開發(fā)人員使用編程語言的套接字API來創(chuàng)建套接字、連接到遠(yuǎn)程主機(jī)、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。傳輸層協(xié)議（如TCP或UDP）則在傳輸層實現(xiàn)實際的網(wǎng)絡(luò)通信，而套接字在傳輸層的角色是管理端到端的通信連接，并確保數(shù)據(jù)可靠傳輸或快速發(fā)送。

套接字作為一種抽象概念，連接了應(yīng)用層與傳輸層。它為應(yīng)用層提供了一個接口，使應(yīng)用程序能夠利用傳輸層協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

在本文中為了直觀的展示套接字在網(wǎng)絡(luò)通信中的使用將應(yīng)用層和傳輸層抽象為同一層網(wǎng)絡(luò)模型，這一層網(wǎng)絡(luò)模型通過**網(wǎng)絡(luò)套接字 (Socket)建立的通信管道 (Pipe)**進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸

4 . Broken Pipe 異常的含義

• 定義：Broken Pipe 異常發(fā)生在服務(wù)器端嘗試向已經(jīng)關(guān)閉的套接字寫入數(shù)據(jù)時。通常情況下，這是由于客戶端在服務(wù)器完成數(shù)據(jù)發(fā)送之前已經(jīng)關(guān)閉了連接，導(dǎo)致服務(wù)器無法繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

在網(wǎng)絡(luò)通信中，套接字是通信的基礎(chǔ)，它為客戶端和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換提供了通道。當(dāng)客戶端或服務(wù)器中斷連接時，就會出現(xiàn) Broken Pipe 異常。這意味著數(shù)據(jù)流的“管道”已經(jīng)被破壞，數(shù)據(jù)無法傳輸。

這種情況可能發(fā)生在以下幾種場景中：

1. 客戶端意外斷開連接:

• 客戶端可能由于網(wǎng)絡(luò)故障、應(yīng)用程序崩潰或用戶主動關(guān)閉應(yīng)用程序而斷開連接。

2. 長時間未響應(yīng):

• 如果客戶端長時間沒有響應(yīng)，服務(wù)器端可能繼續(xù)嘗試向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，這時會導(dǎo)致 Broken pipe 異常。

3. 緩沖區(qū)未及時 flush:

• 如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)未及時寫入到套接字，當(dāng)對端關(guān)閉連接時，再次嘗試寫入可能導(dǎo)致異常。

5 . 判斷問題來源

服務(wù)端問題的可能性:

• 處理時間過長: 服務(wù)器處理請求時可能因為資源不足、鎖定資源、復(fù)雜的計算任務(wù)等原因?qū)е马憫?yīng)延遲。如果超過了瀏覽器或服務(wù)器的超時時間，就會中斷連接，服務(wù)器就可能會報告 Broken pipe 。

• 資源限制: 服務(wù)器可能因為負(fù)載過高，無法在合理時間內(nèi)響應(yīng)請求。這在高并發(fā)場景下尤其常見。

• 配置問題: 服務(wù)器配置錯誤或不當(dāng)（例如超時時間過短）也可能導(dǎo)致連接被意外關(guān)閉。

客戶端問題的可能性:

• 瀏覽器等待時間短: 如果請求需要很長時間來完成，而瀏覽器的等待時間（例如90秒）不足以等待響應(yīng)，就可能會出現(xiàn)超時錯誤。但通常瀏覽器的默認(rèn)超時時間是相對寬松的，除非請求需要極長的處理時間。

• 網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定: 客戶端（瀏覽器）的網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致連接中斷。

• 中間代理或防火墻: 有時中間的代理服務(wù)器、防火墻或負(fù)載均衡器可能會因各種原因中斷連接。

解決方案

針對上面提到的服務(wù)端問題和客戶端問題的可能性分別提出方案進(jìn)行解決

1.模擬事故代碼

首先我們模擬事故代碼，使測試環(huán)境能夠拋出同樣的異常

package com.example.demo.controller;

import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

@RestController
public class HaHa {
    @GetMapping("/h")
    public void sendFile(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) {
        FileInputStream fis = null;
        try {
            // 設(shè)置要發(fā)送的文件路徑（使用一個大文件）
            File file = new File("/opt/SoundSource.zip");  // 替換為你的文件路徑
            fis = new FileInputStream(file);
            // 設(shè)置響應(yīng)的內(nèi)容類型和文件名
            resp.setContentType("application/octet-stream");
            resp.setHeader("Content-Disposition", "attachment; filename=\"" + file.getName() + "\"");
            // 獲取響應(yīng)輸出流
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int bytesRead;
            while ((bytesRead = fis.read(buffer)) != -1) {
                resp.getOutputStream().write(buffer, 0, bytesRead);
                // 模擬發(fā)送過程中的延遲，便于在中途斷開連接
                Thread.sleep(100);
                
            }
        } catch (IOException | InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (fis != null) {
                try {
                    fis.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

上面的代碼中我們提供了/h 這個路徑進(jìn)行訪問，訪問這個路徑服務(wù)器端就會向客戶端發(fā)送一個大文件，而我們只要在接收時斷開連接即可觸發(fā)同樣的異常報錯。

2 . 服務(wù)端問題的解決方案

（1）優(yōu)化處理時間

• 減少單次請求的處理時間：優(yōu)化代碼，減少單次請求的處理時間，使用異步處理或多線程處理，并及時調(diào)用flush()方法，將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)強(qiáng)制寫入到目標(biāo)流中。在Spring Boot中，可以使用@Async注解來實現(xiàn)異步處理。

package com.example.demo.controller;

import org.springframework.scheduling.annotation.Async;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

@RestController
public class HaHa {
    @Async  //  使用異步處理請求
    @GetMapping("/h")
    public void sendFile(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) {
        FileInputStream fis = null;
        try {
            // 設(shè)置要發(fā)送的文件路徑（使用一個大文件）
            File file = new File("/opt/SoundSource.zip");  // 替換為你的文件路徑
            fis = new FileInputStream(file);
            // 設(shè)置響應(yīng)的內(nèi)容類型和文件名
            resp.setContentType("application/octet-stream");
            resp.setHeader("Content-Disposition", "attachment; filename=\"" + file.getName() + "\"");
            // 獲取響應(yīng)輸出流
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int bytesRead;
            while ((bytesRead = fis.read(buffer)) != -1) {
                resp.getOutputStream().write(buffer, 0, bytesRead);
                resp.getOutputStream().flush();  // 及時調(diào)用flush() 方法將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)強(qiáng)制寫入到目標(biāo)流中
            }
        } catch (IOException | InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (fis != null) {
                try {
                    fis.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

（2）增加超時時間

• 增加服務(wù)器端超時時間：可以通過配置Tomcat或其他應(yīng)用服務(wù)器，增加連接的超時時間。這樣即使處理時間較長，連接也不會被意外關(guān)閉。

• 對于Tomcat，可以通過修改server.xml中的connectionTimeout屬性來增加超時時間。

<Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"
           connectionTimeout="20000"  <!-- 設(shè)置超時時間為20秒 -->
           redirectPort="8443" />

• 在Spring Boot中，可以通過修改application.properties文件來增加超時時間：

server.tomcat.connection-timeout=20000ms  # 設(shè)置Tomcat連接超時時間為20秒

通過這些設(shè)置，可以有效增加服務(wù)器的超時時間，避免由于超時導(dǎo)致的連接中斷。

（3） 資源配置調(diào)整

• 增加服務(wù)器資源：在高并發(fā)情況下，適當(dāng)增加服務(wù)器的資源（如CPU、內(nèi)存）或者擴(kuò)展集群，減少服務(wù)器資源不足導(dǎo)致的響應(yīng)延遲。

• 負(fù)載均衡：使用負(fù)載均衡器分發(fā)請求，減少單個服務(wù)器的壓力。

（4） 重試機(jī)制

• 實現(xiàn)重試機(jī)制：在捕獲到Broken pipe異常時，可以實現(xiàn)重試機(jī)制，以避免用戶請求失敗。例如，可以在捕獲到異常后，重新發(fā)送響應(yīng)。

package com.example.demo.controller;

import org.springframework.scheduling.annotation.Async;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

@RestController
public class HaHa {
    @Async  //  異步處理請求
    @GetMapping("/h")
    public void sendFile(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) {
        FileInputStream fis = null;
        int maxRetries = 3;  // 設(shè)置最大重試次數(shù)
        int retryCount = 0;
        boolean success = false;
        try {
            // 設(shè)置要發(fā)送的文件路徑（使用一個大文件）
            File file = new File("/opt/SoundSource.zip");  // 替換為你的文件路徑
            fis = new FileInputStream(file);
            // 設(shè)置響應(yīng)的內(nèi)容類型和文件名
            resp.setContentType("application/octet-stream");
            resp.setHeader("Content-Disposition", "attachment; filename=\"" + file.getName() + "\"");
            // 獲取響應(yīng)輸出流
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int bytesRead;
            while ((bytesRead = fis.read(buffer)) != -1) {
                resp.getOutputStream().write(buffer, 0, bytesRead);
                resp.getOutputStream().flush();  // 及時調(diào)用flush() 方法將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)強(qiáng)制寫入到目標(biāo)流中
            }
        } catch (IOException | InterruptedException e) {
            retryCount++;
            System.err.println("發(fā)送過程中出現(xiàn)異常，重試次數(shù)：" + retryCount);
            e.printStackTrace();
            if (retryCount == maxRetries) {
                System.err.println("最大重試次數(shù)達(dá)到，停止重試");
                resp.setStatus(HttpServletResponse.SC_INTERNAL_SERVER_ERROR);
            }
            e.printStackTrace();
        } finally {
            if (fis != null) {
                try {
                    fis.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

（5）監(jiān)控和報警

• 建立監(jiān)控機(jī)制：對服務(wù)器的處理時間、連接數(shù)量、資源使用情況進(jìn)行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)問題并報警。

3 . 客戶端問題的解決方案

1. 增加瀏覽器等待時間：

• 修改客戶端代碼，可以增加瀏覽器的等待時間（如通過JavaScript的XMLHttpRequest或fetch設(shè)置更長的超時時間）。

const controller = new AbortController();
const timeoutId = setTimeout(() => controller.abort(), 20000); // 20 秒超時
fetch('/yourApi', { signal: controller.signal })
  .then(response => response.json())
  .then(data => console.log(data))
  .catch(error => console.error('Fetch error:', error));

PS：為什么這里不直接查看和調(diào)整瀏覽器的超時時間

• Chrome 瀏覽器：默認(rèn)連接超時時間是 300 秒（5 分鐘）。這個時間只能通過命令行參數(shù)或網(wǎng)絡(luò)代理配置來間接調(diào)整，瀏覽器本身不提供內(nèi)置選項來更改這一時間。

• Firefox 瀏覽器：默認(rèn)超時時間是 90 秒?？梢酝ㄟ^訪問 about:config 來查看和調(diào)整一些網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的設(shè)置。 在地址欄中輸入 about:config 并回車來查看配置。搜索 network.http.connection-timeout，可以修改該值來調(diào)整連接超時時間。其他相關(guān)設(shè)置如 network.http.keep-alive.timeout 可以調(diào)整 Keep-Alive 連接的超時時間。

• Edge 和 Safari：這些瀏覽器的超時設(shè)置與 Chrome 類似，也不提供直接的用戶可調(diào)選項。

2. 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)連接：

• 如果是網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定引起的問題，建議使用更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，或者盡量使用有線連接，減少無線網(wǎng)絡(luò)帶來的不穩(wěn)定性。

3. 避免大文件傳輸：

• 盡量避免在單次請求中傳輸超大文件，如果必須傳輸，可以考慮將文件壓縮后再傳輸，或者采用分片傳輸技術(shù)。

4. 中間代理配置：

• 如果網(wǎng)絡(luò)中存在代理、防火墻或者負(fù)載均衡器，可以在相關(guān)服務(wù)中配置網(wǎng)絡(luò)超時時間，例如在Nginx 中的 client_body_timeout 和 client_header_timeout 設(shè)置了客戶端請求正文和頭部的超時時間。

問題總結(jié)

總結(jié)：Broken Pipe 異常是網(wǎng)絡(luò)通信中常見的一種異常，通常在服務(wù)器嘗試向已經(jīng)關(guān)閉的客戶端連接發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)生。在設(shè)計和實現(xiàn)系統(tǒng)時，應(yīng)該考慮到這種異常情況，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和配置。并確?？蛻舳撕头?wù)器端的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，避免因網(wǎng)絡(luò)波動導(dǎo)致連接中斷。

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