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[架构设计]Nginx探索一


         结合Nginx开发从入门到精通一书和Nginx源码学习服务器的高并发处理。     

  最近编写了一个简单的httpd web服务器,虽说比较简单,但是可以实现基本的web服务器的功能,而且还是有数据库的增删查改,由兴趣的同学可以到我的github上边参与进来,添加一些你的见解,我的github:https://github.com/weiweikaikai/myhttpd.git
       好的,言归正传,今天开始对nginx进行一些探索,希望在这里可以记录我学习的步伐,同时希望可以对别人有帮助。。。。。。。。。。
      
众所周知,nginx性能高,而nginx的高性能与其架构是分不开的。
那么nginx究竟是怎么样的呢?这一节我们先来初识一下nginx框架吧。
        一.  nginx在启动后,在unix系统中会以daemon的方式在后台运行,后台进程包含一个master进程和多个worker进程。我们也可以手动地关掉后台模式,让nginx在前台运行,并且通过配置让nginx取消master进程,从而可以使nginx以单进程方式运行。很显然,生产环境下我们肯定不会这么做,所以关闭后台模式,一般是用来调试用的,在后面的章节里面,我们会详细地讲解如何调试nginx。所以,我们可以看到,nginx是以多进程的方式来工作的,当然nginx也是支持多线程的方式的,只是我们主流的方式还是多进程的方式,也是nginx的默认方式。nginx采用多进程的方式有诸多好处,所以我就主要讲解nginx的多进程模式吧。
刚才讲到,nginx在启动后,会有一个master进程和多个worker进程。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。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。nginx的进程模型,可以由下图来表示:
[img]http://tengine.taobao.org/book/_images/chapter-2-1.PNG


 二. 在nginx启动后,如果我们要操作nginx,要怎么做呢?
从上文中我们可以看到,master来管理worker进程,所以我们只需要与master进程通信就行了。master进程会接收来自外界发来的信号,再根据信号做不同的事情。所以我们要控制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。
上边 红色标记的部分就是Nginx支持热部署的原理实现
我再总结一下热部署的实现:

说白了,就是因为 master进程的关系。当通知ngnix重读配置文件的时候,master进程会进行语法错误的判断。如果存在语法错误的话,返回错误,不进行装载。   
        如果配置文件没有语法错误,那么ngnix也不会将新的配置调整到所有worker中。而是,先不改变已经建立连接的worker,等待worker将所有请求结束之后,将原先在旧的配置下启动的worker杀死,然后使用新的配置创建新的worker。   
   



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。


三. 现在,我们知道了当我们在操作nginx的时候,nginx内部做了些什么事情,那么,worker进程又是如何处理请求的呢?
我们前面有提到,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,只有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。
如下图所示:[img]http://img.blog.csdn.net/20160325175705185?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQv/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/Center


那么,nginx采用这种进程模型有什么好处呢?当然,好处肯定会很多了。首先,对于每个worker进程来说,独立的进程,不需要加锁,(  相对于多线程来说)所以省掉了锁带来的开销,同时在编程以及问题查找时,也会方便很多。其次,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进程则很快启动新的worker进程。当然,worker进程的异常退出,肯定是程序有bug了,异常退出,会导致当前worker上的所有请求失败,不过不会影响到所有请求,所以降低了风险。当然,好处还有很多,大家可以慢慢体会。
四.
上面讲了很多关于nginx的进程模型,接下来,我们来看看nginx是如何处理事件的。
有人可能要问了,nginx采用多worker的方式来处理请求,每个worker里面只有一个主线程,那能够处理的并发数很有限啊,多少个worker就能处理多少个并发,何来高并发呢?非也,这就是nginx的高明之处,nginx采用了异步非阻塞的方式来处理请求,也就是说,nginx是可以同时处理成千上万个请求的。
想想apache的常用工作方式(apache也有异步非阻塞版本,但因其与自带某些模块冲突,所以不常用),每个请求会独占一个工作线程,当并发数上到几千时,就同时有几千的线程在处理请求了。这对操作系统来说,是个不小的挑战,线程带来的内存占用非常大,线程的上下文切换带来的cpu开销很大,自然性能就上不去了,而这些开销完全是没有意义的。
为什么nginx可以采用异步非阻塞的方式来处理呢,或者异步非阻塞到底是怎么回事呢?
我们先回到原点,看看一个请求的完整过程。首先,请求过来,要建立连接,然后再接收数据,接收数据后,再发送数据。具体到系统底层,就是读写事件,而当读写事件没有准备好时,必然不可操作,如果不用非阻塞的方式来调用,那就得阻塞调用了,事件没有准备好,那就只能等了,等事件准备好了,你再继续吧。阻塞调用会进入内核等待,cpu就会让出去给别人用了,对单线程的worker来说,显然不合适,当网络事件越多时,大家都在等待呢,cpu空闲下来没人用,cpu利用率自然上不去了,更别谈高并发了。
好吧,你说加进程数,这跟apache的线程模型有什么区别,注意,别增加无谓的上下文切换。
所以,在nginx里面,最忌讳阻塞的系统调用了。不要阻塞,那就非阻塞喽。
非阻塞就是,事件没有准备好,马上返回EAGAIN,告诉你,事件还没准备好呢,你慌什么,过会再来吧。好吧,你过一会,再来检查一下事件,直到事件准备好了为止,在这期间,你就可以先去做其它事情,然后再来看看事件好了没。虽然不阻塞了,但你得不时地过来检查一下事件的状态,你可以做更多的事情了,但带来的开销也是不小的。
所以,才会有了异步非阻塞的事件处理机制,具体到系统调用就是像select/poll/epoll/kqueue这样的系统调用。它们提供了一种机制,让你可以同时监控多个事件,调用他们是阻塞的,但可以设置超时时间,在超时时间之内,如果有事件准备好了,就返回。
这种机制正好解决了我们上面的两个问题,拿epoll为例(在后面的例子中,我们多以epoll为例子,以代表这一类函数),当事件没准备好时,放到epoll里面,事件准备好了,我们就去读写,当读写返回EAGAIN时,我们将它再次加入到epoll里面。这样,只要有事件准备好了,我们就去处理它,只有当所有事件都没准备好时,才在epoll里面等着。
这样,我们就可以并发处理大量的并发了,当然,这里的并发请求,是指未处理完的请求,线程只有一个,所以同时能处理的请求当然只有一个了,只是在请求间进行不断地切换而已,切换也是因为异步事件未准备好,而主动让出的。这里的切换是没有任何代价,你可以理解为循环处理多个准备好的事件,事实上就是这样的。
与多线程相比,这种事件处理方式是有很大的优势的,不需要创建线程,每个请求占用的内存也很少,没有上下文切换,事件处理非常的轻量级。并发数再多也不会导致无谓的资源浪费(上下文切换)。更多的并发数,只是会占用更多的内存而已。 我之前有对连接数进行过测试,在24G内存的机器上,处理的并发请求数达到过200万。现在的网络服务器基本都采用这种方式,这也是nginx性能高效的主要原因。
我们之前说过,推荐设置worker的个数为cpu的核数,在这里就很容易理解了,更多的worker数,只会导致进程来竞争cpu资源了,从而带来不必要的上下文切换。而且,nginx为了更好的利用多核特性,提供了cpu亲缘性的绑定选项,我们可以将某一个进程绑定在某一个核上,这样就不会因为进程的切换带来cache的失效。像这种小的优化在nginx中非常常见,同时也说明了nginx作者的苦心孤诣。比如,nginx在做4个字节的字符串比较时,会将4个字符转换成一个int型,再作比较,以减少cpu的指令数等等。
现在,知道了nginx为什么会选择这样的进程模型与事件模型了。对于一个基本的web服务器来说,事件通常有三种类型,网络事件、信号、定时器。从上面的讲解中知道,网络事件通过异步非阻塞可以很好的解决掉。如何处理信号与定时器?
首先,信号的处理。对nginx来说,有一些特定的信号,代表着特定的意义。信号会中断掉程序当前的运行,在改变状态后,继续执行。如果是系统调用,则可能会导致系统调用的失败,需要重入。关于信号的处理,大家可以学习一些专业书籍,这里不多说。对于nginx来说,如果nginx正在等待事件(epoll_wait时),如果程序收到信号,在信号处理函数处理完后,epoll_wait会返回错误,然后程序可再次进入epoll_wait调用。
另外,再来看看定时器。由于epoll_wait等函数在调用的时候是可以设置一个超时时间的,所以nginx借助这个超时时间来实现定时器。nginx里面的定时器事件是放在一颗维护定时器的红黑树里面,每次在进入epoll_wait前,先从该红黑树里面拿到所有定时器事件的最小时间(也可以理解为最小堆),在计算出epoll_wait的超时时间后进入epoll_wait。所以,当没有事件产生,也没有中断信号时,epoll_wait会超时,也就是说,定时器事件到了。这时,nginx会检查所有的超时事件,将他们的状态设置为超时,然后再去处理网络事件。由此可以看出,当我们写nginx代码时,在处理网络事件的回调函数时,通常做的第一个事情就是判断超时,然后再去处理网络事件。
我们可以用一段伪代码来总结一下nginx的事件处理模型:
while (true) {
    for t in run_tasks:
        t.handler();
    update_time(&now);
    timeout = ETERNITY;
    for t in wait_tasks: /* sorted already */
        if (t.time <= now) {
            t.timeout_handler();//超时了
        } else {
            timeout = t.time - now;
            break;
        }
    nevents = poll_function(events, timeout);
    for i in nevents:
        task t;
        if (events[i].type == READ) {  //读事件
            t.handler = read_handler;
        } else { /* events[i].type == WRITE */  //写事件
            t.handler = write_handler;
        }
        run_tasks_add(t);
}

好,本节我们讲了进程模型,事件模型,包括网络事件,信号,定时器事件。


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2016-04-01 16:50:07  
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2018-1-17 9:26:10
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