深刻探索Nginx工做原理

Nginx 是一個輕量級的HTTP 服務程序，相比其餘服務器程序如Apache，Nginx佔用內存少，穩定性高，併發處理能力強。同時Nginx 仍是一個反向代理服務程序，和郵件代理服務程序。Nginx具備豐富的模塊庫、靈活的配置、較低資源消耗等優勢。下面，咱們一塊兒深刻看一下Nginx的工做機制。

1. Nginx 如何實現高性能低消耗的呢？

咱們從如下幾個方面說明如下：

• 網絡事件處理機制
  • Nginx 採用異步非阻塞的方式處理請求，能夠同時處理上萬的請求
  • Nginx 支持 select/epoll 等流行事件處理機制，根據系統環境自動選擇
  • Nginx 採用獨立於系統的事件處理機制，可以高效處理請求
• 資源分配技術
  • Nginx 採用分階段資源分配技術，使得它的CPU和內存消耗很是低
• 多核處理優化
  • Nginx 默認採用多進程啓動模式
  • Nginx 包含Master 進程 和 Worker 進程
  • 可以充分利用 SMP 對稱多處理的優點，減小Worker進程磁盤I/O的阻塞
  • Nginx 支持Worker進程和CPU內核 一一對應綁定，避免進程上下文的切換導致cache失效

基於上面提到技術，以及Nginx不少地方的優化，讓Nginx成爲最快的HTTP服務器。

2.Nginx的進程模型

在Nginx的技術架構中，進程模型是相當重要的一部分。接下來，咱們一塊兒看看Nginx進程模型，以及它們的工做機制。

Linux 系統中，Nginx默認以守護進程daemon方式啓動，默認採用多進程方式。Nginx包括兩種類型的進程：
- Master 進程，數量只有一個，管理Nginx自己和Worker進程
- Worker 進程，數量通常和CPU核數相等，Nginx的全部請求處理，均是在Worker進程中完成

下面，咱們分別深刻看一下Master和Worker進程。

2.1 Master 進程工做機制

在Nginx啓動時，Master進程建立，主要負責初始化Nginx和相關模塊、fork Worker進程、接收處理外界信號等工做。

Nginx的初始化過程：

• 解析配置文件，這是Nginx初始化最重要的一個環節
• 調用各個配置指令回調函數，完成各個模塊的配置、相互關聯等
• 創建listen 的 socket(listenfd)
• 準備工做都完成後，fork worker子進程和cache子進程

Master 進程信號處理機制

咱們經過kill命令發送信號給Nignx Master 進程，看看Master進程如何處理：

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 進程接收到 HUP 信號
- Master 進程從新加載配置文件
- Master 進程啓動新的Worker進程
- Master 進程發送信號給Worker 進程
- 老的Worker進程再也不接收新的請求
- 老的Worker進程處理完當前請求，退出
- 至此，Nginx完成平滑重啓

注意：Nginx 0.8 版本之後，提供了 -s參數，用於管理Nginx服務的中止和重啓，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 進程工做機制

Worker進程負責全部請求的處理工做，咱們經過一個HTTP請求，來梳理一下Worker的工做流程：

- 新的請求到來：全部的Work進程的listenfd都會變得可讀
- 竟搶互斥鎖：全部 Worker 進程在註冊listenfd讀事件前，要先搶accept_mutex
- 搶到互斥鎖的Worker，註冊listenfd讀事件，在事件中調用accept接受該鏈接
- 拿到請求後，Worker進程開始讀取請求，解析請求，處理請求，產生數據，再返回給客戶端
- Worker進程斷開鏈接

須要注意：一個HTTP請求，徹底由Worker進程處理，並且只在一個Worker中處理

2.3 Master-Worker 進程架構機制的優點有哪些？？

對於每一個Worker 進程來講，獨立的進程，不須要加鎖，節約鎖致使的資源開銷；worker進程之間，互不干擾，平滑重啓就是很好的例子，服務不中斷。

2.4 網絡事件處理機制

Nginx 採用的是異步非阻塞事件處理機制，支持select/poll/epoll/kqueue 等等。Nginx 同時會監控多個事件，調用他們是阻塞的。可是調用有超時時間，在超時時間內，若是有事件準備好了，就返回，不然從新放入epoll中。當讀寫返回EAGAIN時，事件將會被再次放入epoll中。

處理線程只有一個，同時處理的請求也只有一個，所謂多請求併發，只是在不斷的切換請求而已。雖然是切換，但這種切換不涉及上下文切換，相比十分輕量。更多的併發，只是會佔用更多的內存。

進程相關的還有，信號和定時器，這部分另外單獨講解。

3. Nginx 包含哪些模塊

Nginx是模塊化架構的服務，豐富的模塊，鬆散耦合，也讓Nginx更增強大！我看看Nginx 都有哪些模塊

驚羣效應：

- 當內核 accept 一個鏈接時，會喚醒全部等待中的進程

- 但實際上只有一個進程能獲取鏈接，其餘的進程都是被無效喚醒的

- 因此 Nginx 採用了自有的一套 accept 加鎖機制，避免多個進程同時調用 accept

- Nginx 多進程的鎖在底層默認是經過 CPU 自旋鎖來實現。若是操做系統不支持自旋鎖，就採用文件鎖。