Nginx 实现高并发原理

Nginx 实现高并发原理

1. 概述

Nginx由内核和模块组成。
Nginx本身做的工作实际很少，当它接到一个HTTP请求时，它仅仅是通过查找配置文件将此次请求映射到一个location block，而此location中所配置的各个指令则会启动不同的模块去完成工作，因此模块可以看做Nginx真正的劳动工作者。通常一个location中的指令会涉及一个handler模块和多个filter模块（当然，多个location可以复用同一个模块）。handler模块负责处理请求，完成响应内容的生成，而filter模块对响应内容进行处理。

Nginx进程模型
Nginx默认采用多进程工作方式，Nginx启动后，会运行一个master进程和多个worker进程。其中master充当整个进程组与用户的交互接口，同时对进程进行监护，管理worker进程来实现重启服务、平滑升级、更换日志文件、配置文件实时生效等功能。worker用来处理基本的网络事件，worker之间是平等的，他们共同竞争来处理来自客户端的请求。

Nginx 采用的是多进程（单线程） & 多路IO复用模型。使用了 I/O 多路复用技术的 Nginx，就成了”并发事件驱动“的服务器

2. 惊群现象

主进程（master 进程）首先通过 socket() 来创建一个 sock 文件描述符用来监听，然后fork生成子进程（workers 进程），子进程将继承父进程的 sockfd（socket 文件描述符），之后子进程 accept() 后将创建已连接描述符（connected descriptor）），然后通过已连接描述符来与客户端通信。

那么，由于所有子进程都继承了父进程的 sockfd，那么当连接进来时，所有子进程都将收到通知并“争着”与它建立连接，这就叫惊群现象。大量的进程被激活又挂起，只有一个进程可以accept() 到这个连接，这当然会消耗系统资源。

3. Nginx对惊群现象的处理

Nginx 提供了一个 accept_mutex 这个东西，这是一个加在accept上的一把共享锁。即每个 worker 进程在执行 accept 之前都需要先获取锁，获取不到就放弃执行 accept()。有了这把锁之后，同一时刻，就只会有一个进程去 accpet()，这样就不会有惊群问题了。accept_mutex 是一个可控选项，我们可以显示地关掉，默认是打开的。

4. Nginx进程详解

nginx的进程模型如图所示：

使用多进程模式，不仅能提高并发率，而且进程之间相互独立，一个 worker 进程挂了不会影响到其他 worker 进程。

注意: worker 进程数，一般会设置成机器 cpu 核数。因为更多的worker 数，只会导致进程相互竞争 cpu，从而带来不必要的上下文切换

4.1 master进程

主要用来管理worker进程，包含：

• 接收来自外界的信号
• 向各worker进程发送信号
• 监控worker进程的运行状态
• 当worker进程退出后(异常情况下)，会自动重新启动新的worker进程。

master进程充当整个进程组与用户的交互接口，同时对进程进行监护。它不需要处理网络事件，不负责业务的执行，只会通过管理worker进程来实现重启服务、平滑升级、更换日志文件、配置文件实时生效等功能。

我们要控制nginx，只需要通过kill向master进程发送信号就行了。比如kill -HUP pid，则是告诉nginx，从容地重启nginx，我们一般用这个信号来重启nginx，或重新加载配置，因为是从容地重启，因此服务是不中断的。master进程在接收到HUP信号后是怎么做的呢？首先master进程在接到信号后，会先重新加载配置文件，然后再启动新的worker进程，并向所有老的worker进程发送信号，告诉他们可以光荣退休了。新的worker在启动后，就开始接收新的请求，而老的worker在收到来自master的信号后，就不再接收新的请求，并且在当前进程中的所有未处理完的请求处理完成后，再退出。当然，直接给master进程发送信号，这是比较老的操作方式

nginx在0.8版本之后，引入了一系列命令行参数，来方便我们管理。比如，
./nginx -s reload，就是来重启nginx，
./nginx -s stop，就是来停止nginx的运行。

如何做到的呢？
我们还是拿reload来说，我们看到，执行命令时，我们是启动一个新的nginx进程，而新的nginx进程在解析到reload参数后，就知道我们的目的是控制nginx来重新加载配置文件了，它会向master进程发送信号，然后接下来的动作，就和我们直接向master进程发送信号一样了。

4.2 worker进程

而基本的网络事件，则是放在worker进程中来处理了。多个worker进程之间是对等的，他们同等竞争来自客户端的请求，各进程互相之间是独立的。一个请求，只可能在一个worker进程中处理，一个worker进程，不可能处理其它进程的请求。worker进程的个数是可以设置的，一般我们会设置与机器cpu核数一致，这里面的原因与nginx的进程模型以及事件处理模型是分不开的。

worker进程之间是平等的，每个进程，处理请求的机会也是一样的。当我们提供80端口的http服务时，一个连接请求过来，每个进程都有可能处理这个连接，怎么做到的呢？

首先，每个worker进程都是从master进程fork过来，在master进程里面，先建立好需要listen的socket（listenfd）之后，然后再fork出多个worker进程。所有worker进程的listenfd会在新连接到来时变得可读，为保证只有一个进程处理该连接，所有worker进程在注册listenfd读事件前抢accept_mutex，抢到互斥锁的那个进程注册listenfd读事件，在读事件里调用accept接受该连接。

当一个worker进程在accept这个连接之后，就开始读取请求，解析请求，处理请求，产生数据后，再返回给客户端，最后才断开连接，这样一个完整的请求就是这样的了。

我们可以看到，一个请求，完全由worker进程来处理，而且只在一个worker进程中处理。

进程连接数
每个worker进程都有一个独立的连接池，连接池的大小是worker_connections。这里的连接池里面保存的其实不是真实的连接，它只是一个worker_connections大小的一个ngx_connection_t结构的数组。并且，nginx会通过一个链表free_connections来保存所有的空闲ngx_connection_t，每次获取一个连接时，就从空闲连接链表中获取一个，用完后，再放回空闲连接链表里面。一个nginx能建立的最大连接数，应该是worker_connections * worker_processes。当然，这里说的是最大连接数，对于HTTP请求本地资源来说，能够支持的最大并发数量是worker_connections * worker_processes，而如果是HTTP作为反向代理来说，最大并发数量应该是worker_connections * worker_processes/2。因为作为反向代理服务器，每个并发会建立与客户端的连接和与后端服务的连接，会占用两个连接。

4.3 worker进程工作流程

当一个 worker 进程在 accept() 这个连接之后，就开始读取请求，解析请求，处理请求，产生数据后，再返回给客户端，最后才断开连接，一个完整的请求。一个请求，完全由 worker 进程来处理，而且只能在一个 worker 进程中处理。

5. 这样做带来的好处：

1. 节省锁带来的开销。每个 worker 进程都是独立的进程，不共享资源，不需要加锁。同时在编程以及问题查上时，也会方便很多。

2. 独立进程，减少风险。采用独立的进程，可以让互相之间不会影响，一个进程退出后，其它进程还在工作，服务不会中断，master 进程则很快重新启动新的 worker 进程。当然，worker 进程的也能发生意外退出。

6. IO 多路复用

多进程模型每个进程/线程只能处理一路IO，那么 Nginx是如何处理多路IO呢？

如果不使用 IO 多路复用，那么在一个进程中，同时只能处理一个请求，比如执行 accept()，如果没有连接过来，那么程序会阻塞在这里，直到有一个连接过来，才能继续向下执行。

而多路复用，允许我们只在事件发生时才将控制返回给程序，而其他时候内核都挂起进程，随时待命。

核心：Nginx采用的 IO多路复用模型epoll

epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统（文件系统一般用什么数据结构实现？B+树），其工作流程分为三部分：

• 调用 int epoll_create(int size)建立一个epoll对象，内核会创建一个eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl()向epoll对象中添加进来的事件，这些事件都会挂载在红黑树中。
• 调用 int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event) 在 epoll 对象中为 fd 注册事件，所有添加到epoll中的件都会与设备驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时会调用这个sockfd的回调方法，将sockfd添加到eventpoll 中的双链表
• 调用 int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event * events, int maxevents, int timeout) 来等待事件的发生，timeout 为 -1 时，该调用会阻塞知道有事件发生

这样，注册好事件之后，只要有 fd 上事件发生，epoll_wait() 就能检测到并返回给用户，用户就能”非阻塞“地进行 I/O 了。

epoll() 中内核则维护一个链表，epoll_wait 直接检查链表是不是空就知道是否有文件描述符准备好了。（epoll 与 select 相比最大的优点是不会随着 sockfd 数目增长而降低效率，使用 select() 时，内核采用轮训的方法来查看是否有fd 准备好，其中的保存 sockfd 的是类似数组的数据结构 fd_set，key 为 fd，value 为 0 或者 1。）

能达到这种效果，是因为在内核实现中 epoll 是根据每个 sockfd 上面的与设备驱动程序建立起来的回调函数实现的。那么，某个 sockfd 上的事件发生时，与它对应的回调函数就会被调用，来把这个 sockfd 加入链表，其他处于“空闲的”状态的则不会。在这点上，epoll 实现了一个”伪”AIO。但是如果绝大部分的 I/O 都是“活跃的”，每个 socket 使用率很高的话，epoll效率不一定比 select 高（可能是要维护队列复杂）。

可以看出，因为一个进程里只有一个线程，所以一个进程同时只能做一件事，但是可以通过不断地切换来“同时”处理多个请求。

例子：

• Nginx 会注册一个事件：“如果来自一个新客户端的连接请求到来了，再通知我”，此后只有连接请求到来，服务器才会执行 accept() 来接收请求。
• 又比如向上游服务器（比如 PHP-FPM）转发请求，并等待请求返回时，这个处理的 worker 不会在这阻塞，它会在发送完请求后，注册一个事件：“如果缓冲区接收到数据了，告诉我一声，我再将它读进来”，于是进程就空闲下来等待事件发生。

这样，基于 多进程+epoll， Nginx 便能实现高并发。

Nginx 与 多进程模式 Apache 的比较：

1. 对于Apache，每个请求都会独占一个工作线程，当并发数到达几千时，就同时有几千的线程在处理请求了。这对于操作系统来说，占用的内存非常大，线程的上下文切换带来的cpu开销也很大，性能就难以上去，同时这些开销是完全没有意义的。
   

   • 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）。
   • 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。
   • 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

2. 对于Nginx来讲，一个进程只有一个主线程，通过异步非阻塞的事件处理机制，实现了循环处理多个准备好的事件，从而实现轻量级和高并发。
   

   • 工作进程在监听套接字和连接套接字上等待事件。
   • 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。

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。
APACHE 的阻塞式的、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。