Nginx基础概念

川长思鸟来 2022-01-20 14:43 249阅读 0赞

# connection #

在 Nginx 中 connection 就是对 tcp 连接的封装，其中包括连接的 socket，读事件，写事件。利用 Nginx 封装的 connection，我们可以很方便的使用 Nginx 来处理与连接相关的事情，比如，建立连接，发送与接受数据等。而 Nginx 中的 http 请求的处理就是建立在 connection之上的，所以 Nginx 不仅可以作为一个web服务器，也可以作为邮件服务器。当然，利用 Nginx 提供的 connection，我们可以与任何后端服务打交道。

结合一个 tcp 连接的生命周期，我们看看 Nginx 是如何处理一个连接的。首先，Nginx 在启动时，会解析配置文件，得到需要监听的端口与 ip 地址，然后在 Nginx 的 master 进程里面，先初始化好这个监控的 socket(创建 socket，设置 addrreuse 等选项，绑定到指定的 ip 地址端口，再 listen)，然后再 fork 出多个子进程出来，然后子进程会竞争 accept 新的连接。此时，客户端就可以向 Nginx 发起连接了。当客户端与服务端通过三次握手建立好一个连接后，Nginx 的某一个子进程会 accept 成功，得到这个建立好的连接的 socket，然后创建 Nginx 对连接的封装，即 ngx\_connection\_t 结构体。接着，设置读写事件处理函数并添加读写事件来与客户端进行数据的交换。最后，Nginx 或客户端来主动关掉连接，到此，一个连接就寿终正寝了。

当然，Nginx 也是可以作为客户端来请求其它 server 的数据的（如 upstream 模块），此时，与其它 server 创建的连接，也封装在 ngx\_connection\_t 中。作为客户端，Nginx 先获取一个 ngx\_connection\_t 结构体，然后创建 socket，并设置 socket 的属性（ 比如非阻塞）。然后再通过添加读写事件，调用 connect/read/write 来调用连接，最后关掉连接，并释放 ngx\_connection\_t。

在 Nginx 中，每个进程会有一个连接数的最大上限，这个上限与系统对 fd 的限制不一样。在操作系统中，通过 `ulimit -n`，我们可以得到一个进程所能够打开的 fd 的最大数，即 nofile，因为每个 socket 连接会占用掉一个 fd，所以这也会限制我们进程的最大连接数，当然也会直接影响到我们程序所能支持的最大并发数，当 fd 用完后，再创建 socket 时，就会失败。Nginx 通过设置 `worker_connectons` 来设置每个进程支持的最大连接数。如果该值大于 nofile，那么实际的最大连接数是 nofile，Nginx 会有警告。Nginx 在实现时，是通过一个连接池来管理的，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。

在这里，很多人会误解 `worker_connections` 这个参数的意思，认为这个值就是 Nginx 所能建立连接的最大值。其实不然，这个值是表示每个 worker 进程所能建立连接的最大值，所以，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。

那么，我们前面有说过一个客户端连接过来后，多个空闲的进程，会竞争这个连接，很容易看到，这种竞争会导致不公平，如果某个进程得到 accept 的机会比较多，它的空闲连接很快就用完了，如果不提前做一些控制，当 accept 到一个新的 tcp 连接后，因为无法得到空闲连接，而且无法将此连接转交给其它进程，最终会导致此 tcp 连接得不到处理，就中止掉了。很显然，这是不公平的，有的进程有空余连接，却没有处理机会，有的进程因为没有空余连接，却人为地丢弃连接。那么，如何解决这个问题呢？首先，Nginx 的处理得先打开 `accept_mutex`选项，此时，只有获得了 `accept_mutex` 的进程才会去添加accept事件，也就是说，Nginx会控制进程是否添加 accept 事件。Nginx 使用一个叫 ngx\_accept\_disabled 的变量来控制是否去竞争 accept\_mutex 锁。在第一段代码中，计算 ngx\_accept\_disabled 的值，这个值是 Nginx 单进程的所有连接总数的八分之一，减去剩下的空闲连接数量，得到的这个 ngx\_accept\_disabled 有一个规律，当剩余连接数小于总连接数的八分之一时，其值才大于 0，而且剩余的连接数越小，这个值越大。再看第二段代码，当 ngx\_accept\_disabled 大于 0 时，不会去尝试获取 accept\_mutex 锁，并且将 ngx\_accept\_disabled 减 1，于是，每次执行到此处时，都会去减 1，直到小于 0。不去获取 accept\_mutex 锁，就是等于让出获取连接的机会，很显然可以看出，当空余连接越少时，ngx\_accept\_disable 越大，于是让出的机会就越多，这样其它进程获取锁的机会也就越大。不去 accept，自己的连接就控制下来了，其它进程的连接池就会得到利用，这样，Nginx 就控制了多进程间连接的平衡了。

ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n / 8
            - ngx_cycle->free_connection_n;
    
        if (ngx_accept_disabled > 0) { 
            ngx_accept_disabled--;
    
        } else { 
            if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) { 
                return;
            }
    
            if (ngx_accept_mutex_held) { 
                flags |= NGX_POST_EVENTS;
    
            } else { 
                if (timer == NGX_TIMER_INFINITE
                        || timer > ngx_accept_mutex_delay)
                { 
                    timer = ngx_accept_mutex_delay;
                }
            }
        }

至此，连接的概念介绍完毕

# request #

这节我们讲 request，在 Nginx 中我们指的是 http 请求，具体到 Nginx 中的数据结构是ngx\_http\_request\_t。ngx\_http\_request\_t 是对一个 http 请求的封装。 我们知道，一个 http 请求，包含请求行、请求头、请求体、响应行、响应头、响应体。

http 请求是典型的请求-响应类型的的网络协议，而 http 是文本协议，所以我们在分析请求行与请求头，以及输出响应行与响应头，往往是一行一行的进行处理。如果我们自己来写一个 http 服务器，通常在一个连接建立好后，客户端会发送请求过来。然后我们读取一行数据，分析出请求行中包含的 method、uri、http\_version 信息。然后再一行一行处理请求头，并根据请求 method 与请求头的信息来决定是否有请求体以及请求体的长度，然后再去读取请求体。得到请求后，我们处理请求产生需要输出的数据，然后再生成响应行，响应头以及响应体。在将响应发送给客户端之后，一个完整的请求就处理完了。当然这是最简单的 webserver 的处理方式，其实 Nginx 也是这样做的，只是有一些小小的区别，比如，当请求头读取完成后，就开始进行请求的处理了。Nginx 通过 ngx\_http\_request\_t 来保存解析请求与输出响应相关的数据。

那接下来，简要讲讲 Nginx 是如何处理一个完整的请求的。对于 Nginx 来说，一个请求是从`ngx_http_init_request` 开始的，在这个函数中，会设置读事件为`ngx_http_process_request_line`，也就是说，接下来的网络事件，会由 `ngx_http_process_request_line 来执行`。从`ngx_http_process_request_line` 的函数名，我们可以看到，这就是来处理请求行的，正好与之前讲的，处理请求的第一件事就是处理请求行是一致的。通过 `ngx_http_read_request_header` 来读取请求数据。然后调用 `ngx_http_parse_request_line` 函数来解析请求行。Nginx 为提高效率，采用状态机来解析请求行，而且在进行 method 的比较时，没有直接使用字符串比较，而是将四个字符转换成一个整型，然后一次比较以减少 cpu 的指令数。

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