深入NGINX：我们如何设计它的性能和扩展性

　英文原文：Inside NGINX: How We Designed for Performance & Scale

　　为了更好地理解设计，你需要了解NGINX是如何工作的。NGINX之所以能在性能上如此优越，是由于其背后的设计。许多web服务器和应用服务器使用简单的线程的（threaded）、或基于流程的（process-based）架构， NGINX则以一种复杂的事件驱动（event-driven）的架构脱颖而出，这种架构能支持现代硬件上成千上万的并发连接。

　　Inside NGINX infographic涉及了从高层次进程架构的挖掘，到NGINX的单进程处理多连接的图解。本篇文章讲解了这些工作细节。

　　设置场景——NGINX进程模型

　　为了更好地理解设计，你需要了解NGINX是如何工作的。NGINX有一个主进程（master process）（执行特权操作，如读取配置、绑定端口）和一系列工作进程（worker process）和辅助进程（helper process）。

　　这个四核服务器内，NGINX主进程创建了4个工作进程和2个缓存辅助进程（cachehelper processes）来管理磁盘内容缓存（on-disk content cache）。

　　为什么架构很重要?

　　任何Unix应用程序的根本基础都是线程或进程（从Linux操作系统的角度看，线程和进程基本上是相同的，主要区别是他们共享内存的程度）。进程或线程，是一组操作系统可调度的、运行在CPU内核上的独立指令集。大多数复杂的应用程序都并行运行多个线程或进程，原因有两个：

• 可以同时使用更多的计算机内核。

• 线程和进程使并行操作很容易实现（例如，同时处理多个连接）。

　　进程和线程都消耗资源。它们都使用内存和其他OS资源，导致内核频繁切换(被称作上下文切换（context switch）的操作)。大多数现代服务器可以同时处理数百个小的、活跃的（active）线程或进程，但一旦内存耗尽，或高I/O负载导致大量的上下文切换时，服务器的性能就会严重下降。 对于网络应用，通常会为每个连接（connection）分配一个线程或进程。这种架构易于实现，但是当应用程序需要处理成千上万的并发连接时，这种架构的扩展性就会出现问题。

　　NGINX是如何工作的?

　　NGINX使用一个了可预见式的（predictable）进程模型，调度可用的硬件资源：

　　1. 主进程执行特权操作，如读取配置和绑定端口，还负责创建子进程(下面的三种类型)。

　　2. 缓存加载进程（cache loader process）在启动时运行，把基于磁盘的缓存（disk-based cache）加载到内存中，然后退出。对它的调度很谨慎，所以其资源需求很低。

　　3. 缓存管理进程（cache manager process）周期性运行，并削减磁盘缓存（prunes entries from the disk caches），以使其保持在配置范围内。

　　4. 工作进程（worker processes）才是执行所有实际任务的进程：处理网络连接、读取和写入内容到磁盘，与上游服务器通信等。

　　多数情况下，NGINX建议每1个CPU核心都运行1个工作进程，使硬件资源得到最有效的利用。你可以在配置中设置如下指令： worker_processes auto，当NGINX服务器在运行时，只有工作进程在忙碌。每个工作进程都以非阻塞的方式处理多个连接，以削减上下文切换的开销。 每个工作进程都是单线程且独立运行的，抓取并处理新的连接。进程间通过共享内存的方式，来共享缓存数据、会话持久性数据（session persistence data）和其他共享资源。

　　NGINX内部的工作进程

　　每一个NGINX的工作进程都是NGINX配置（NGINX configuration）初始化的，并被主进程设置了一组监听套接字（listen sockets）。

　　NGINX工作进程会监听套接字上的事件(accept_mutex和kernel socketsharding)，来决定什么时候开始工作。事件是由新的连接初始化的。这些连接被会分配给状态机（statemachine）—— HTTP状态机是最常用的，但NGINX还为流（原生TCP）和大量的邮件协议（SMTP，IMAP和POP3）实现了状态机。

　　状态机本质上是一组告知NGINX如何处理请求的指令。大多数和NGINX具有相同功能的web服务器也使用类似的状态机——只是实现不同。

　　调度状态机

　　把状态机想象成国际象棋的规则。每个HTTP事务（HTTP transaction）都是一局象棋比赛。棋盘的一边是web服务器——坐着一位可以迅速做出决定的大师级棋手。另一边是远程客户端——在相对较慢的网络中，访问站点或应用程序的web浏览器。 然而，比赛的规则可能会很复杂。例如，web服务器可能需要与各方沟通(代理一个上游的应用程序)，或者和认证服务器交流。web服务器的第三方模块也可以拓展比赛规则。

　　阻塞状态机

　　回忆一下我们之前对进程和线程的描述：是一组操作系统可调度的、运行在CPU内核上的独立指令集。大多数web服务器和web应用都使用一个连接/一个进程或一个连接/一个线程的模型来进行这局国际象棋比赛。每个进程或线程都包含一个将比赛玩到最后的指令。在这个过程中，进程是由服务器来运行的，它的大部分时间都花在“阻塞（blocked）”上，等待客户端完成其下一个动作。

　　1. web服务器进程（web server process）在监听套接字上，监听新的连接（客户端发起的新比赛）。

　　2. 一局新的比赛发起后，进程就开始工作，每一步棋下完后都进入阻塞状态，等待客户端走下一步棋。

　　3. 一旦比赛结束，web服务器进程会看看客户是否想开始新的比赛（这相当于一个存活的连接）。如果连接被关闭（客户端离开或者超时），web服务器进程会回到监听状态，等待全新的比赛。

　　记住重要的一点：每一个活跃的HTTP连接（每局象棋比赛）都需要一个专用的进程或线程（一位大师级棋手）。这种架构非常易于扩展第三方模块（“新规则”）。然而，这里存在着一个巨大的不平衡：一个以文件描述符（file descriptor）和少量内存为代表的轻量级HTTP连接，会映射到一个单独的进程或线程——它们是非常重量级的操作系统对象。这在编程上是方便的，但它造成了巨大的浪费。

　　NGINX是真正的大师

　　NGINX is a True Grandmaster

　　也许你听说过车轮表演赛，在比赛中一个象棋大师要在同一时间对付几十个对手。

　　Kiril Georgiev在保加利亚首都索菲亚同时对阵360名棋手，最终取得284胜，70平，6负的战绩。

　　这就是NGINX工作进程玩“国际象棋”的方式。每一个工作进程都是一位大师（记住：通常情况下，每个工作进程占用一个CPU内核），能够同时对战上百棋手（实际上是成千上万）。

　　1. 工作进程在监听套接字和连接套接字上等待事件。

　　2. 事件发生在套接字上，工作进程会处理这些事件。

• 监听套接字上的事件意味着：客户端开始了一局新的游戏。工作进程创建了一个新的连接套接字。

• 连接套接字上的事件意味着：客户端移动了棋子。工作进程会迅速响应。

　　工作进程从不会在网络上停止，它时时刻刻都在等待其“对手”（客户端）做出回应。当它已经移动了这局比赛的棋子，它会立即去处理下一局比赛，或者迎接新的对手。

　　为什么它会比阻塞式多进程的架构更快？

　　NGINX的规模可以很好地支持每个工作进程上数以万计的连接。每个新连接都会创建另一个文件描述符，并消耗工作进程中少量的额外内存。每一个连接的额外消耗都很少。NGINX进程可以保持固定的CPU占用率。当没有工作时，上下文切换也较少。

　　在阻塞式的、一个连接/一个进程的模式中，每个连接需要大量的额外资源和开销，并且上下文切换（从一个进程到另一个进程）非常频繁。

　　如果想了解更多，请查看由NGINX公司发展和联合创始人副总裁Andrew Alexeev编写的有关NGINX体系结构的文章。

　　通过适当的系统调优，NGINX能大规模地处理每个工作进程数十万并发的HTTP连接，并且能在流量高峰期间不丢失任何信息（新比赛开始）。

　　配置更新和NGINX升级

　　仅包含少量工作进程的NGINX进程架构，使得配置、甚至是二进制文件本身的更新都非常高效。

　　更新NGINX的配置，是一个非常简单的、轻量级的、可靠的操作。运行nginx –s reload命令即可，该命令会检查磁盘上的配置，并给主进程发送一个SIGHUP信号。

　　当主进程接收到SIGHUP信号后，会做两件事：

　　1. 重新加载配置，fork一套新的工作进程。这些新的工作进程会立即开始接受连接和处理流量（traffic）（使用新的配置）。

　　2. 发出信号，通知旧的工作进程安静地退出。这些旧进程不会再接受新的连接了。只要它们处理的HTTP请求结束了，它们就会干净地关闭连接。一旦所有的连接都被关闭，工作进程也就退出了。

　　这个过程会导致CPU占用率和内存使用的一个小高峰，但相比于从活动连接中加载资源，这个小高峰可忽略不计。你可以在一秒内重新加载配置多次。极少情况下，一代又一代工作进程等待连接关闭时会出现问题，但即便出现问题，它们也会被立即解决掉。

　　NGINX的二进制升级过程更加神奇——你可以飞速地升级NGINX本身，服务器不会有任何的丢连接、宕机、或服务中断等情况。

　　二进制升级过程与配置更新相似。新的NGINX主进程与原来的主进程并行，它们共享监听套接字。两个进程都是活跃的（active），它们各自的工作进程处理各自的流量（traffic）。然后，你可以通知旧的主进程与其工作进程完美退出。

　　在Controlling NGINX中，整个过程有更详细的描述。

　　结论

　　NGINX的内部图表高度概述了NGINX是如何运作的，但在这简单的解释背后是超过十年的创新与优化。这些创新与优化，使NGINX在多种硬件上表现出良好的性能，同时还具备现代web应用所需要的安全性和可靠性。

　　如果你想阅读更多关于NGINX优化的资料，可以看看这些很棒的资源：

　　NGINX安装和性能调优(webinar; slides at Speaker Deck)

　　NGINX的性能调优

　　开源应用架构——NGINX

　　NGINX1.9.1套接字切分（Socket Sharding）(使用SO_REUSEPORT套接字选项)