深入探索Nginx工作原理

Nginx 是一个轻量级的HTTP 服务程序，相比其他服务器程序如Apache，Nginx占用内存少，稳定性高，并发处理能力强。同时Nginx 还是一个反向代理服务程序，和邮件代理服务程序。Nginx具有丰富的模块库、灵活的配置、较低资源消耗等优点。下面，我们一起深入看一下Nginx的工作机制

1. Nginx 如何实现高性能低消耗的呢？

我们从以下几个方面说明以下：

网络事件处理机制

Nginx 采用异步非阻塞的方式处理请求，可以同时处理上万的请求

Nginx 支持 select/epoll 等流行事件处理机制，根据系统环境自动选择

Nginx 采用独立于系统的事件处理机制，能够高效处理请求

资源分配技术

Nginx 采用分阶段资源分配技术，使得它的CPU和内存消耗非常低

多核处理优化

Nginx 默认采用多进程启动模式

Nginx 包含Master 进程 和 Worker 进程

能够充分利用 SMP 对称多处理的优势，减少Worker进程磁盘I/O的阻塞

Nginx 支持Worker进程和CPU内核 一一对应绑定，避免进程上下文的切换致使cache失效

基于上面提到技术，以及Nginx很多地方的优化，让Nginx成为最快的HTTP服务器。

2.Nginx的进程模型

在Nginx的技术架构中，进程模型是至关重要的一部分。接下来，我们一起看看Nginx进程模型，以及它们的工作机制。

Linux 系统中，Nginx默认以守护进程daemon方式启动，默认采用多进程方式。Nginx包括两种类型的进程：

Master 进程，数量只有一个，管理Nginx本身和Worker进程

Worker 进程，数量一般和CPU核数相等，Nginx的所有请求处理，均是在Worker进程中完成

下面，我们分别深入看一下Master和Worker进程。

2.1 Master 进程工作机制

在Nginx启动时，Master进程创建，主要负责初始化Nginx和相关模块、fork Worker进程、接收处理外界信号等工作。

Nginx的初始化过程：

解析配置文件，这是Nginx初始化最重要的一个环节

调用各个配置指令回调函数，完成各个模块的配置、相互关联等

建立listen 的 socket(listenfd)

准备工作都完成后，fork worker子进程和cache子进程

Master 进程信号处理机制

我们通过kill命令发送信号给Nignx Master 进程，看看Master进程如何处理：

	root@eg001:~# ps -ef | grep nginx | grep -v grep root     16533     1  0 Aug28 ?        00:00:00 nginx: master process nginx
www-data 16534 16533  0 Aug28 ?        00:00:47 nginx: worker process
www-data 16535 16533  0 Aug28 ?        00:00:51 nginx: worker process
www-data 16536 16533  0 Aug28 ?        00:00:53 nginx: worker process
www-data 16537 16533  0 Aug28 ?        00:00:51 nginx: worker process
root@eg001:~# kill -HUP 16533 root@eg001:~# ps -ef | grep nginx | grep -v grep root     16533     1  0 Aug28 ?        00:00:00 nginx: master process nginx
www-data 28194 16533  0 09:40 ?        00:00:00 nginx: worker process
www-data 28195 16533  0 09:40 ?        00:00:00 nginx: worker process
www-data 28196 16533  0 09:40 ?        00:00:00 nginx: worker process
www-data 28197 16533  0 09:40 ?        00:00:00 nginx: worker process
root@eg001:~#  

分析流程：

Master 进程接收到 HUP 信号

Master 进程重新加载配置文件

Master 进程启动新的Worker进程

Master 进程发送信号给Worker 进程

老的Worker进程不再接收新的请求

老的Worker进程处理完当前请求，退出

至此，Nginx完成平滑重启

注意：Nginx 0.8 版本以后，提供了 -s参数，用于管理Nginx服务的停止和重启，注意line 11：

	root@eg001:~# nginx -h nginx version: nginx/1.1.19 Usage: nginx [-?hvVtq] [-s signal] [-c filename] [-p prefix] [-g directives]

Options:
  -?,-h         : this help
  -v            : show version and exit   -V            : show version and configure options then exit   -t            : test configuration and exit   -q            : suppress non-error messages during configuration testing
  -s signal     : send signal to a master process: stop, quit, reopen, reload
  -p prefix     : set prefix path (default: /etc/nginx/)
  -c filename   : set configuration file (default: /etc/nginx/nginx.conf)
  -g directives : set global directives out of configuration file

2.2 Worker 进程工作机制

Worker进程负责所有请求的处理工作，我们通过一个HTTP请求，来梳理一下Worker的工作流程：

新的请求到来：所有的Work进程的listenfd都会变得可读

竟抢互斥锁：所有 Worker 进程在注册listenfd读事件前，要先抢accept_mutex

抢到互斥锁的Worker，注册listenfd读事件，在事件中调用accept接受该连接

拿到请求后，Worker进程开始读取请求，解析请求，处理请求，产生数据，再返回给客户端

Worker进程断开连接

需要注意：一个HTTP请求，完全由Worker进程处理，而且只在一个Worker中处理

2.3 Master-Worker 进程架构机制的优势有哪些？？

对于每个Worker 进程来说，独立的进程，不需要加锁，节约锁导致的资源开销；worker进程之间，互不干扰，平滑重启就是很好的例子，服务不中断。

2.4 网络事件处理机制

Nginx 采用的是异步非阻塞事件处理机制，支持select/poll/epoll/kqueue 等等。Nginx 同时会监控多个事件，调用他们是阻塞的。但是调用有超时时间，在超时时间内，如果有事件准备好了，就返回，否则重新放入epoll中。当读写返回EAGAIN时，事件将会被再次放入epoll中。

处理线程只有一个，同时处理的请求也只有一个，所谓多请求并发，只是在不断的切换请求而已。虽然是切换，但这种切换不涉及上下文切换，相比十分轻量。更多的并发，只是会占用更多的内存。

进程相关的还有，信号和定时器，这部分另外单独讲解。

3. Nginx 包含哪些模块

Nginx是模块化架构的服务，丰富的模块，松散耦合，也让Nginx更加强大！我看看Nginx 都有哪些模块

内核模块

实现了底层的通讯协议，为其他模块/进程构建运行环境、协作基础，打开listen 的端口，启动worker进程

HTTP/Mail模块

两个特殊模块，位于内核模块和各功能模块间；在内核模块之上实现了另一层的抽象；处理HTTP/MAIL协议事件；确保调用功能模块顺序正确。

Event模块

负责监听accept后建立的连接，对读写事件进行添加删除；与非阻塞 I/O 模型结合使用；支持select/poll/epoll/kqueue等；注意惊群效应，后面有解释。

Handler模块

负责接受客户端请求并产生输出；通过配置文件中location指令配置 content handler 模块。

Filter模块

负责输出内容处理，修改输出内容；Fiter模块在获取回复内容之后，向用户发送响应之前，执行处理动作；调用顺序在编译时就确定了。

Upstream模块

实现反向代理的功能，负责将请求转发到后端服务器上，并读取响应，发回客户端；跨越单机的限制，完成网络数据的接收、处理和转发；

LoadBalancer模块

根据配置指定算法，在众多的后端服务器中选择一个，完成请求的转发服务器；都有哪些算法呢？

惊群效应：

当内核 accept 一个连接时，会唤醒所有等待中的进程

但实际上只有一个进程能获取连接，其他的进程都是被无效唤醒的

所以 Nginx 采用了自有的一套 accept 加锁机制，避免多个进程同时调用 accept

Nginx 多进程的锁在底层默认是通过 CPU 自旋锁来实现。如果操作系统不支持自旋锁，就采用文件锁。