C/C++编程：nginx服务器模型

╰半橙微兮° 2022-09-13 09:12 181阅读 0赞

nginx在启动后，会有一个master进程和多个worker（工作）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进程异常退出后，会自动重新启动新的worker线程

也就是说，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

*  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，个进程之间是相互独立的。
     *  一个请求，只可能在一个worker进程中处理；一个worker进程，不可能处理其他进程的请求
     *  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：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAT2NlYW4mJlN0YXI_size_18_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

> 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，所以我们只需要于master进程通信就可以了

*  master进程会接收来自外界发来的信号，在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，从容的重启nginx，我们一般用这个信号来重启nginx，或者重新加载配置
     *  因为是从容的重启，所以服务是不中断的
 *  那么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来收到来自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，
    
     *  执行这个命令时，master收到这个信号以后先启动一个新的Nginx进程
     *  而新的Nginx进程在解析到reload参数后，就知道是要控制Nginx来重新加载配置文件，它会向master进程发送信号
     *  然后master会重新加载配置文件，在启动新的worker进程，并向所有老的worker进程发送信号，告诉他们可以退休了
     *  新的worker启动之后就可以以新的配置文件接收新的请求了（热部署的原理。）

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAT2NlYW4mJlN0YXI_size_18_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]

> 现在，我们知道了我们在操作nginx的时候，nginx内部做了什么事情，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**（在linux2.6以前是这样，但是2.6以及以后，所有worker进程的listenfd在新连接到来时只有一个变得可读）
     *  为保证只有一个进程处理该连接，所有worker进程在册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。（**linux已经解决了accept问题**）

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAT2NlYW4mJlN0YXI_size_18_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]  
![在这里插入图片描述][7b794df3097244cf9296ebeb5ff422bd.png]  
也就是说，客户端请求到一个master之后，worker获取任务的机制不是直接分配也不是轮询，而是一种争取的机制，“抢”到任务后再执行任务，比如选择目标服务器tomcat等，然后返回结果。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAT2NlYW4mJlN0YXI_size_17_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

> 惊群现象

*  master进程首先通过socket()来创建一个socket文件描述符用来监听，然后fork生成子（worker）进程，子进程将继承父进程的sockefd，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，那么当连接到来时，所有子进程都将收到通知并“争着”与它建立连接，这就叫做“惊群现象”。大量的进程被激活又被挂起，只有一个进程可以accept()到这个连接，这当然会消耗系统资源
 *  nginx提供了一个叫做accept的东西，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accept()，这样就不会有惊群问题了（当accept()之后就释放锁，这个时候内核只会唤醒一个阻塞在accept\_mutex上的进程，其他进程还是会休眠）。accept\_mutex 是一个可控选项，我们可以显示地关掉，默认是打开的。
 *  其实在linux2.6版本以后，linux内核已经解决了accept（）函数的“惊群”现象，大概的处理方式就是，当内核接收到一个客户连接后，只会唤醒等待队列上的第一个进程（线程）,所以如果服务器采用accept阻塞调用方式，在最新的linux系统中已经没有“惊群效应”了，所以这个选项可以关掉

> 从上面我们可以看到，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。那这样有什么好处呢？

*  首先，对于每个worker进程来说，独立的进程，不需要加锁，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

总的来说，使用多进程模式，不仅能够提高并发率，而且进程之间彼此独立，一个worker进程挂了也不会影响其他worker进程

> 当然，worker进程竞争监听客户端的连接请求也是有它的缺点的。比如说

*  可能所有的请求都被一个worker进程给竞争获取了，导致其他进程都比较空闲，而某一个进程会处于忙碌的状态，这种状态可能还会导致无法及时响应连接而丢弃discard掉本有能力处理的请求
 *  这种不公平的现象，是需要避免的，尤其是在高可靠web服务器环境下。
 *  针对这种现象，Nginx采用了一个是否打开accept\_mutex选项的值，ngx\_accept\_disabled标识控制一个worker进程是否需要去竞争获取accept\_mutex选项，进而获取accept事件。

> 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，才能继续往下执行
 *  而多路复用，允许我们只在事件发生时才将控制返还给程序，而其他时候内核都挂起进程，随时待命

这也是nginx进程为什么这么快的原因：nginx采用IO多路复用模型nginx：

*  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，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”，于是进程空闲下来等待事件发生

> 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。

*  有人可能就要问了，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的请求的**。
 *  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）每个请求都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，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利用率自然就上不去了，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，**不要增加无谓的上下文切换**
 *  所以，在nginx里，**最忌讳阻塞的系统调用了**。不要阻塞，那就非阻塞了。
 *  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，但是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)，当事件没有准备好时，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有准备好时，才会在epoll里面等着
 *  这样，我们就可以并发的处理大量的请求了，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，只是再请求间不断地切换而已，切换也是因为异步事件未准备好，而主动让出的
 *  这里的切换是没有代价的，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
 *  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。

> 我们之前说过，推荐设置worker的个数为cpu的核数，这里就可以知道原因了

*  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。
 *  而且，nginx为了更好的理由多核特性，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**。从上面我们可以知道，网络事件通过异步非阻塞可以很好的解决掉。那么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，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。
 *  [Nginx源码阅读笔记-Master Woker进程模型][Nginx_-Master Woker]
 *  [被问懵逼：谈谈 Nginx 快的原因？][Nginx]

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[Nginx_-Master Woker]: https://www.codedump.info/post/20190131-nginx-master-worker/
[Nginx]: https://www.iocoder.cn/Fight/Dumbstruck-Why-is-Nginx-fast/