【SpringMvc】后台系统超大报表下载超时的处理

B端业务经常要提供下载报表的功能，一般的方法是先查询出所有数据，然后在内存中组装成报表（如XLS/XLSX格式）后统一输出。但是如果生成报表需要查询的数据量很大，远程服务的调用时间之和远远超过了链路上某节点（比如代理服务器Nginx、浏览器Chrome）的等待时间，因此该次Http连接就会被强制关闭，导致下载失败。

下面的示例代码调用了Thread.sleep，将处理线程挂起3分钟，模拟耗时的数据查询操作。

@GetMapping("/trade/income/excel")
public HttpEntity<byte[]> downloadTradeIncome() {
    ServletOutputStream stream = response.getOutputStream();
    response.setContentType("application/octet-stream;charset=UTF-8");
    response.setHeader("Content-Disposition", "attachment;fileName=test.csv");
    stream.write("start".getBytes(Charsets.UTF_8));
    response.flushBuffer();
    Thread.sleep((long) (3 * 64 * 1000));//chrome 2min超时会主动断开连接
    stream.write("finish".getBytes(Charsets.UTF_8));
}

常见超时原因和优化思路

大型的Web应用一般都不是单纯的Client/Server模型。一次Http请求会在网络链路上经过多于2个的节点。

Chrome（用户端的浏览器） <=> 四层负载均衡（工作在传输层，如LVS和MGW） <=> 七层负载均衡（工作在应用层，如反向代理用的Nginx） <=> Tomcat（后端应用服务器）。

链路上的每个节点都有可能会产生超时，因此具体的超时原因也可以分为：

1. Chrome发起请求后，等待响应超时。该值为120秒，且用户不可更改，超时后页面上会提示EmptyResponse。
2. 四层负载均衡不会引起超时。LVS动态修改TCP包的目标IP地址，并转发数据包使其到达不同的机器上来实现负载均衡的目的，因此LVS节点不会引起超时。个人理解，不一定准确。
3. 七层负载均衡等待上游响应超时。Nginx代理了客户端浏览器对后端服务器的Http请求，作为反向代理服务器需要“同时”维护与浏览器和后端服务器的Http连接，因此也会产生相应的超时，例如Nginx等待上游响应超时就会产生504 Gateway Timeout。
4. Tomcat/Servlet处理超时。这层对应本地环境产生的超时，如Socket超时、InputStream/OutputStream超时。

对应的超时优化有3种思路。

1. 缩短后端查询数据的时间。

例如使用多线程并发减少远程查询的总体时间（如需数据有序，可以使用Fork/Join方案）。

该方案的优点是减少了对外的整体查询的时间。缺点是多线程增加了开发和维护的难度；高并发压力转移到内部的查询服务上，对其QPS响应提出了更高的要求。

2. 将数据查询和下载的流程异步化。

浏览器请求下载后，服务端立即返回报表的唯一标识Key同时开始远程查询数据，客户端可以凭借该Key查询报表的生成进度，报表完成后就可以下载；或者使用另一种方案，服务器在报表生成完成后通过一些渠道（如Long-Polling、WebSocket、即时通信软件、邮件等）通知客户端下载。

该方案的优点是并发能力强，不会阻塞服务器的Web连接池。缺点是需要开发Key的CRUD操作和相应的UI；需要公有文件云的支持用于存储生成的报表文件。

3. 服务端边生成报表，浏览器边下载报表。

就像下载大文件一样，浏览器不断开和服务器的Http连接，同时服务器不断向浏览器追加Http体数据直到报表生成结束。

该方案的优点是开发难度低、速度快。缺点是数据查询是单线程的，速度较慢；而且文件下载会一直占用服务器的Web连接池，如果并发下载量较大可能会阻塞其他的Http请求。

因为在实际的业务开发中，前2种思路做的比较多，所以后文不再赘述。

方案3的具体实现

该方案的关键在于业务方法返回后SpringMvc/Servlet不能主动关闭Http连接，而是要像平常下载文件一样保持Http的长连接（注意Http长连接要和Http 1.1协议默认采用的Tcp长连接相区分），唯一不同的是这次浏览器无法提前知道文件的大小。因此对于技术方案我考虑有几种选择：

1. 服务器边查询数据并生成，浏览器边下载，像平常下载文件一样。

2. 分多次查询/推送数据，浏览器最后把数据组装为报表。

   1. 轮询（Polling）。客户端轮询服务器，每次查询报表数据的一部分，查询结束后再组装成报表文件。
   2. 长轮询（Long-Polling）。客户端轮询服务器，服务器在收到请求后Hold住Http连接，等待另一部分的数据查询完成才释放连接并返回Response。
   3. WebSocket。支持Html5特性的浏览器和服务器之间建立Socket管道，可以双向传递任意类型的消息。

第一种方案的优点是不需要前端参与开发，缺点是无法支持二进制格式的报表文件（如XLS/XLSX），只能用文本格式（如CSV/TSV），这会带来格式的损失，比如CSV格式里位数超过10位的数字会被Excel自动显示成科学记数法。第二种方案正好相反，需要前端开发人力，但是可以支持组装二进制格式的报表。

PS：除了经典的Apache POI库，据说Java世界还有流式生成XLS/XLSX的库，这点有待确认。

因为搞不到前端人力，实际上还是用方案1实现。下面的代码模拟了用SpringMvc实现异步下载报表的功能。handle7()结束后会立即返回Http头，告诉浏览器将返回一个长度未知且格式未知¹的二进制文件，并推荐执行文件下载操作。

private ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(5);
@GetMapping("events7")
public ResponseEntity<ResponseBodyEmitter> handle7() throws IOException {
    ResponseBodyEmitter emitter = new ResponseBodyEmitter();
    emitter.send("start,");
    pool.execute(() -> {
      try {
          Thread.sleep((long) (3 * 64 * 1000));
          emitter.send("finish\r\n");
          emitter.complete();
      } catch (IOException | InterruptedException e) {}
    });
    HttpHeaders headers = new HttpHeaders();
    headers.set("Content-Type", "application/octet-stream;charset=UTF-8");
    headers.set("Transfer-Encoding", "chunked");
    headers.setContentDispositionFormData("attachment", "test.csv", Charsets.UTF_8);
    return new ResponseEntity<>(emitter, headers, HttpStatus.OK);
}

SpringMvc的ResponseBodyEmitter实际上利用了Servlet3+的异步特性，耗时较长的请求无需一直占用Web请求处理的线程池，大大提高了服务器的并发能力。启动Tomcat后访问http://localhost:8080/events7即可查看效果。

但实际上上面的代码无法在Webkit核心下的Chrome/Safari浏览器上得到预期的结果。测试中Chrome无法自动开始下载，而是会阻塞在Loading阶段，直到超过了2分钟的最大等待时间后告诉用户发生了EmptyResponse。

在Inspector界面上不显示Response的Http头和部分Http体数据（即"start"字符串）。但是通过Charles抓包发现，Response的Http头和"start"字符串已经发出，这是一个奇怪的地方。

几次尝试后发现，问题出现在MIME（即Content-Type）上，Chrome对application/octet-stream类型似乎采取了接受到完整的Http包才开始下载文件的逻辑，换成application/csv后Chrome顺利的开始自动下载，下方状态栏出现Loading圆圈，文案提示即将开始下载，然后文件大小开始逐渐增长，最终完成下载过程。

两个未解之谜

1. MIME对Chrome下载行为的影响

我尝试了几种Chrome会立刻触发下载的MIME。

• text/csv
• text/css
• text/markdown
• text/event-stream
• text/html
• application/csv
• application/pdf
• application/json
• application/xhtml+xml
• application/x-www-form-urlencoded
• application/atom+xml
• multipart/form-data

还有一些Chrome不会自动触发下载并最终导致超时的MIME。

• application/octet-stream
• application/xml
• text/xml
• text/plain

要解释这个问题可能需要查看Webkit源码，但是我没有找到相关逻辑，也有可能我找错了方向，希望熟悉这块的朋友不吝赐教。

2. Nginx引起的502问题

解决了上面的问题后，代码在Beta环境出现了新的问题。Nginx代理提示502 Bad Gateway The proxy server received an invalid response from an upstream server。查看Nginx日志，具体的错误信息如下。应该是Transfer-Encoding设置为chunked，导致Nginx认为该Http头非法。这个问题也是令人摸不到头脑，希望熟悉Http1.1规范和分块传输编码的朋友不吝赐教。

2017/10/19 15:14:17 [error] 30016#0: *409143 upstream sent invalid chunked response while reading upstream, client: 10.72.227.11, server: www.dianping.com, request: "GET /s/ajax/shop/finance/trade/income/excel?shopIdList[]=&startDate=2017-09-20%2000:00&endDate=2017-10-19%2023:59 HTTP/1.1", upstream: "http://127.0.0.1:8080/s/ajax/shop/finance/trade/income/excel?shopIdList[]=&startDate=2017-09-20%2000:00&endDate=2017-10-19%2023:59", host: "dev.orderdish.ecom.web.meituan.com"

Reference

1. MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions) Part One: Mechanisms for Specifying and Describing the Format of Internet Message Bodies
2. Returning Values from Forms: multipart/form-data
3. Multipurpose Internet Mail Extensions (MIME) Part Two: Media Types
4. Content-Disposition
5. webkit-2.18.0
6. Use of the Content-Disposition Header Field in the Hypertext Transfer Protocol (HTTP)
7. Communicating Presentation Information in Internet Messages: The Content-Disposition Header Field
8. Returning Values from Forms: multipart/form-data
9. 深入剖析 WebKit
10. HTTP 协议中的 Transfer-Encoding
11. 分块传输编码
12. Webkit学习 ----网页资源的构建加载流程
13. WebKit内核源代码分析（四）
14. Nginx中502和504错误详解

1. RFC1521规定application/octet-stream代表未知格式的二进制流。 ↩