深刻探索Nginx工做原理

Nginx 是一个轻量级的HTTP 服务程序，相比其余服务器程序如Apache，Nginx占用内存少，稳定性高，并发处理能力强。同时Nginx 仍是一个反向代理服务程序，和邮件代理服务程序。Nginx具备丰富的模块库、灵活的配置、较低资源消耗等优势。下面，咱们一块儿深刻看一下Nginx的工做机制。

1. Nginx 如何实现高性能低消耗的呢？

咱们从如下几个方面说明如下：

• 网络事件处理机制
  • Nginx 采用异步非阻塞的方式处理请求，能够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，可以高效处理请求
• 资源分配技术
  • Nginx 采用分阶段资源分配技术，使得它的CPU和内存消耗很是低
• 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
  • 可以充分利用 SMP 对称多处理的优点，减小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导致cache失效

基于上面提到技术，以及Nginx不少地方的优化，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，进程模型是相当重要的一部分。接下来，咱们一块儿看看Nginx进程模型，以及它们的工做机制。

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自己和Worker进程
- Worker 进程，数量通常和CPU核数相等，Nginx的全部请求处理，均是在Worker进程中完成

下面，咱们分别深刻看一下Master和Worker进程。

2.1 Master 进程工做机制

在Nginx启动时，Master进程建立，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做。

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
• 创建listen 的 socket(listenfd)
• 准备工做都完成后，fork worker子进程和cache子进程

Master 进程信号处理机制

咱们经过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 进程从新加载配置文件
- Master 进程启动新的Worker进程
- Master 进程发送信号给Worker 进程
- 老的Worker进程再也不接收新的请求
- 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 版本之后，提供了 -s参数，用于管理Nginx服务的中止和重启，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 进程工做机制

Worker进程负责全部请求的处理工做，咱们经过一个HTTP请求，来梳理一下Worker的工做流程：

- 新的请求到来：全部的Work进程的listenfd都会变得可读
- 竟抢互斥锁：全部 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接受该链接
- 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进程断开链接

须要注意：一个HTTP请求，彻底由Worker进程处理，并且只在一个Worker中处理

2.3 Master-Worker 进程架构机制的优点有哪些？？

对于每一个Worker 进程来讲，独立的进程，不须要加锁，节约锁致使的资源开销；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。可是调用有超时时间，在超时时间内，若是有事件准备好了，就返回，不然从新放入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更增强大！我看看Nginx 都有哪些模块

惊群效应：

- 当内核 accept 一个链接时，会唤醒全部等待中的进程

- 但实际上只有一个进程能获取链接，其余的进程都是被无效唤醒的

- 因此 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经过 CPU 自旋锁来实现。若是操做系统不支持自旋锁，就采用文件锁。