Apache和Nginx运行原理解析

Web服务器

Web服务器也称为WWW(WORLD WIDE WEB)服务器，主要功能是提供网上信息浏览服务。

应用层使用HTTP协议。

HTML文档格式。

浏览器统一资源定位器(URL)。

Web服务器经常以B/S（Browser/Server）方式提供服务。浏览器和服务器的交互方式以下：

 GET /index.php HTTP/1.1

 +---------------+                   +----------------+
 |               +------------------->                |
 |   Browser     |                   |   Server       |
 |               <-------------------+                |
 +---------------+                   +----------------+

                   HTTP/1.1 200 OK

浏览器向服务器发出HTTP请求(Request)。

服务器收到浏览器的请求数据，通过分析处理，向浏览器输出响应数据（Response）。

浏览器收到服务器的响应数据，通过分析处理，将最终结果显示在浏览器中。

Apache和Nginx都属于Web服务器，二者都实现了HTTP 1.1协议。

Apache 概述

Apache HTTP Server是Apache软件基金会的一个开放源代码的网页服务器，能够在大多数计算机操做系统中运行，因为其跨平台和安全性。被普遍使用，是最流行的Web服务器端软件之一。它快速、可靠而且可经过简单的API扩充，将Perl／Python等解释器编译到服务器中。 -- 维基百科

Apache组件

Apache是基于模块化设计的，它的核心代码并很少，大多数的功能都被分散到各个模块中，各个模块在系统启动的时候按需载入。

"text">         +----------+
      +- | Module   | -----------------+
      |  +----------+                  |
      |                          +------------+
+-----------+   Apache HTTPD     | php module |
| Module    |                    +------------+
+-----------+              +----------+|
      +----------+-------- |  MPM     |+
                 |         +----+---+-+
               +-v-----------+  |   |
               |    ARP      <--+   |
               +------+------+      |
                      |             |
      +---------------v-------------v--+
      |      Operating  System         |
      +--------------------------------+

MPM（Multi -Processing Modules，多重处理模块）是Apache的核心组件之一，Apache经过MPM来使用操做系统的资源，对进程和线程池进行管理。Apache为了可以得到最好的运行性能，针对不一样的平台 (Unix/Linux、Window)作了优化，为不一样的平台提供了不一样的MPM，用户能够根据实际状况进行选择，其中最常使用的MPM有 prefork和worker两种。至于您的服务器正以哪一种方式运行，取决于安装Apache过程当中指定的MPM编译参数,在X系统上默认的编译参数为 prefork。

因为大多数的Unix都不支持真正的线程，因此采用了预派生子进程(prefork)方式，象Windows或者Solaris这些支持 线程的平台，基于多进程多线程混合的worker模式是一种不错的选择。Apache中还有一个重要的组件就是APR（Apache portable Runtime Library），即Apache可移植运行库，它是一个对操做系统调用的抽象库，用来实现Apache内部组件对操做系统的使用，提升系统的可移植性。 Apache对于php的解析，就是经过众多Module中的php Module来完成的。

Apache生命周期
"text">   +--------------------------------------------------------------+
   |                 +---------------------+       启动阶段        |
   |                 |    系统启动, 配置     |                      |
   |                 +----------+----------+                      |
   |                            |                                 |
   |                 +----------v----------+                      |
   |                 |      模块的初始化     |                      |
   |                 +-+--------+--------+-+                      |
   |                   |        |        |                        |
   |   +-------------+ | +------v-------+| +--------------+       |
   |   | 子进程初始化  |<+ | 子进程初始化   |+>|  子进程初始化  |       |
   |   +------+------+   +-------+------+  +-------+------+       |
   +--------------------------------------------------------------+
   |          |                  |                 |     运行阶段  |
   |     +----v----+        +----v----+       +----v----+         |
   |     | 请求循环 |        |  请求循环 |       | 请求循环 |         |
   |     +----+----+        +----+----+       +----+----+         |
   |          |                  |                 |              |
   |   +------v------+    +------v------+   +------v------+       |
   |   |  子进程结束   |    |  子进程结束  |   |   子进程结束  |       |
   |   +-------------+    +-------------+   +-------------+       |
   +--------------------------------------------------------------+

这个生命周期是在perfork工做下的示意，从图中能够看出，Apache对于每个请求都要启动一个单独的进程来处理。

Apache的工做模式 prefork的工做原理

一个单独的控制进程(父进程)负责产生子进程，这些子进程用于监听请求并做出应答。Apache老是试图保持一些备用的 (spare)或是空闲的子进程用于迎接即将到来的请求。这样客户端就无需在获得服务前等候子进程的产生。在Unix系统中，父进程一般以root身份运行以便邦定80端口，而 Apache产生的子进程一般以一个低特权的用户运行。User和Group指令用于配置子进程的低特权用户。运行子进程的用户必需要对他所服务的内容有读取的权限，可是对服务内容以外的其余资源必须拥有尽量少的权限。

worker的工做原理

每一个进程可以拥有的线程数量是固定的。服务器会根据负载状况增长或减小进程数量。一个单独的控制进程(父进程)负责子进程的创建。每一个子进程可以创建 ThreadsPerChild数量的服务线程和一个监听线程，该监听线程监听接入请求并将其传递给服务线程处理和应答。Apache老是试图维持一个备 用(spare)或是空闲的服务线程池。这样，客户端无须等待新线程或新进程的创建便可获得处理。在Unix中，为了可以绑定80端口，父进程通常都是以 root身份启动，随后，Apache以较低权限的用户创建子进程和线程。User和Group指令用于配置Apache子进程的权限。虽然子进程必须对 其提供的内容拥有读权限，但应该尽量给予他较少的特权。另外，除非使用了suexec ，不然，这些指令配置的权限将被CGI脚本所继承。

Apache的运行 启动阶段

在启动阶段，Apache主要进行配置文件解析(例如http.conf以及Include指令设定的配置文件等)、模块加载(例如modphp.so,modperl.so等)和系统资源初始化（例如日志文件、共享内存段等）工做。在这个阶段，Apache为了得到系统资源最大的使用权限，将以特权用户root（X系统）或超级管理员administrator(Windows系统)完成启动。

这个过程能够经过下图来深刻了解：

"text">       +--------+
       |  开始   |
       +----+---+
            |
 +----------v------------+   解析主配置文件http.conf中配置信息，
 |     解析配置文件        |   像LoadModule, AddType
 +----------+------------+   等指令被加载至内存
            |
 +----------v------------+   依据AddModule, LoadModule等指令
 |   加载静态/动态模块      |   加载Apache模块，像mod_php5.so被
 +----------+------------+   加载至内存，映射到Apache地址空间。
            |
 +----------v------------+   日志文件、共享内存段，数据库连接
 |     系统资源初始化      |    等初始化
 +----------+------------+
            |
        +---v----+
        |  结束   |
        +--------+


运行阶段

在运行阶段，Apache主要工做是处理用户的服务请求。在这个阶段，Apache放弃特权用户级别，使用普通权限，这主要是基于安全性的考虑，防止因为代码的缺陷引发的安全漏洞。

因为Apache的Hook机制，Apache 容许模块(包括内部模块和外部模块，例如mod_php5.so,mod_perl.so等)将自定义的函数注入到请求处理循环中。 mod_php5.so/php5apache2.dll就是将所包含的自定义函数，经过Hook机制注入到Apache中，在Apache处理流程的各 个阶段负责处理php请求。

Apache将请求处理循环分为11个阶段，依次是：Post-Read-Request，URI Translation，Header Parsing，Access Control，Authentication，Authorization，MIME Type Checking，FixUp，Response，Logging，CleanUp。

Apache处理http请求的生命周期:

Post-Read-Request阶段:在正常请求处理流程中，这是模块能够插入钩子的第一个阶段。对于那些想很早进入处理请求的模块来讲，这个阶段能够被利用。

URI Translation阶段 : Apache在本阶段的主要工做：将请求的URL映射到本地文件系统。模块能够在这阶段插入钩子，执行本身的映射逻辑。mod_alias就是利用这个阶段工做的。

Header Parsing阶段 : Apache在本阶段的主要工做：检查请求的头部。因为模块能够在请求处理流程的任何一个点上执行检查请求头部的任务，所以这个钩子不多被使用。mod_setenvif就是利用这个阶段工做的。

Access Control阶段 : Apache在本阶段的主要工做：根据配置文件检查是否容许访问请求的资源。Apache的标准逻辑实现了容许和拒绝指令。modauthzhost就是利用这个阶段工做的。

Authentication阶段 : Apache在本阶段的主要工做：按照配置文件设定的策略对用户进行认证，并设定用户名区域。模块能够在这阶段插入钩子，实现一个认证方法。

Authorization阶段 : Apache在本阶段的主要工做：根据配置文件检查是否容许认证过的用户执行请求的操做。模块能够在这阶段插入钩子，实现一个用户权限管理的方法。

MIME Type Checking阶段 : Apache在本阶段的主要工做：根据请求资源的MIME类型的相关规则，断定将要使用的内容处理函数。标准模块modnegotiation和modmime实现了这个钩子。

FixUp阶段 : 这是一个通用的阶段，容许模块在内容生成器以前，运行任何须要的处理流程。和PostReadRequest相似，这是一个可以捕获任何信息的钩子，也是最常使用的钩子。

Response阶段 : Apache在本阶段的主要工做：生成返回客户端的内容，负责给客户端发送一个恰当的回复。这个阶段是整个处理流程的核心部分。

Logging阶段 : Apache在本阶段的主要工做：在回复已经发送给客户端以后记录事务。模块可能修改或者替换Apache的标准日志记录。

CleanUp阶段 : Apache在本阶段的主要工做：清理本次请求事务处理完成以后遗留的环境，好比文件、目录的处理或者Socket的关闭等等，这是Apache一次请求处理的最后一个阶段。

Nginx 概述

Nginx（发音同engine x）是一款由俄罗斯程序员Igor Sysoev所开发轻量级的网页服务器、反向代理服务器以及电子邮件（IMAP/POP3）代理服务器。起初是供俄国大型的门户网站及搜索引擎Rambler（俄语：Рамблер）使用。 -- 维基百科

Nginx的模块与工做原理

Nginx由内核和模块组成，其中，内核的设计很是微小和简洁，完成的工做也很是简单，仅仅经过查找配置文件将客户端请求映射到一个location block（location是Nginx配置中的一个指令，用于URL匹配），而在这个location中所配置的每一个指令将会启动不一样的模块去完成相应的工做。

Nginx的模块从结构上分为核心模块、基础模块和第三方模块：

核心模块：HTTP模块、EVENT模块和MAIL模块

基础模块：HTTP Access模块、HTTP FastCGI模块、HTTP Proxy模块和HTTP Rewrite模块，

第三方模块：HTTP Upstream Request Hash模块、Notice模块和HTTP Access Key模块。

Nginx的模块从功能上分为以下三类:

Handlers（处理器模块）。此类模块直接处理请求，并进行输出内容和修改headers信息等操做。Handlers处理器模块通常只能有一个。

Filters （过滤器模块）。此类模块主要对其余处理器模块输出的内容进行修改操做，最后由Nginx输出。

Proxies （代理类模块）。此类模块是Nginx的HTTP Upstream之类的模块，这些模块主要与后端一些服务好比FastCGI等进行交互，实现服务代理和负载均衡等功能。

"text">                     +                    ^
        Http Request |                    |  Http Response
                     |                    |
    +---------+------v-----+         +----+----+
    |  Conf   | Nginx Core |         | FilterN |
    +---------+------+-----+         +----^----+
                     |                    |
                     |               +----+----+
                     |               | Filter2 |
choose a handler     |               +----^----+
based conf           |                    |
                     |               +----+----+
                     |               | Filter1 |
                     |               +----^----+
                     |                    | Generate content
               +-----v--------------------+----+
               |           Handler             |
               +-------------------------------+

Nginx自己作的工做实际不多，当它接到一个HTTP请求时，它仅仅是经过查找配置文件将这次请求映射到一个location block，而此location中所配置的各个指令则会启动不一样的模块去完成工做，所以模块能够看作Nginx真正的劳动工做者。一般一个 location中的指令会涉及一个handler模块和多个filter模块（固然，多个location能够复用同一个模块）。handler模块负 责处理请求，完成响应内容的生成，而filter模块对响应内容进行处理。

Nginx架构及工做流程

上图是Nginx的架构，这个架构相似于Apache的Worker工做状态，Nginx的每个Worker进程都管理着大量的线程，真正处理请求的是Worker之下的线程。

全部实际上的业务处理逻辑都在worker进程。worker进程中有一个函数，执行无限循环，不断处理收到的来自客户端的请求，并进行处理，直到整个nginx服务被中止。Worker中这个函数执行内容以下：

操做系统提供的机制（例如epoll, kqueue等）产生相关的事件。

接收和处理这些事件，如是接受到数据，则产生更高层的request对象。

处理request的header和body。

产生响应，并发送回客户端。

完成request的处理。

从新初始化定时器及其余事件。

Nginx和FastCGI FastCGI

FastCGI是一个可伸缩地、高速地在HTTP server和动态脚本语言间通讯的接口。多数流行的HTTP server都支持FastCGI，包括Apache、Nginx和lighttpd等。同时，FastCGI也被许多脚本语言支持，其中就有PHP。

FastCGI是从CGI发展改进而来的。传统CGI接口方式的主要缺点是性能不好，由于每次HTTP服务器遇到动态程序时都须要从新启动脚本解析器来执 行解析，而后将结果返回给HTTP服务器。这在处理高并发访问时几乎是不可用的。另外传统的CGI接口方式安全性也不好，如今已经不多使用了。

FastCGI接口方式采用C/S结构，能够将HTTP服务器和脚本解析服务器分开，同时在脚本解析服务器上启动一个或者多个脚本解析守护进程。当 HTTP服务器每次遇到动态程序时，能够将其直接交付给FastCGI进程来执行，而后将获得的结果返回给浏览器。这种方式可让HTTP服务器专注地处 理静态请求或者将动态脚本服务器的结果返回给客户端，这在很大程度上提升了整个应用系统的性能。

Nging和FastCGI合做

Nginx不支持对外部程序的直接调用或者解析，全部的外部程序（包括PHP）必须经过FastCGI接口来调用。FastCGI接口在Linux下是socket（这个socket能够是文件socket，也能够是ip socket）。

接下来以Nginx下PHP的运行过程来讲明。PHP-FPM是管理FastCGI的一个管理器，它做为PHP的插件存在。

FastCGI进程管理器php-fpm自身初始化，启动主进程php-fpm和启动start_servers个CGI 子进程。主进程php-fpm主要是管理fastcgi子进程，监听9000端口。fastcgi子进程等待来自Web Server的链接。

当客户端请求到达Web Server Nginx是时，Nginx经过location指令，将全部以php为后缀的文件都交给127.0.0.1:9000来处理，即Nginx经过location指令，将全部以php为后缀的文件都交给127.0.0.1:9000来处理。

FastCGI进程管理器PHP-FPM选择并链接到一个子进程CGI解释器。Web server将CGI环境变量和标准输入发送到FastCGI子进程。

FastCGI子进程完成处理后将标准输出和错误信息从同一链接返回Web Server。当FastCGI子进程关闭链接时，请求便告处理完成。

FastCGI子进程接着等待并处理来自FastCGI进程管理器（运行在 WebServer中）的下一个链接。

Apache和Nginx比较 功能对比

Nginx和Apache同样，都是HTTP服务器软件，在功能实现上都采用模块化结构设计，都支持通用的语言接口，如PHP、Perl、Python等，同时还支持正向和反向代理、虚拟主机、URL重写、压缩传输、SSL加密传输等。

在功能实现上，Apache的全部模块都支持动、静态编译，而Nginx模块都是静态编译的，

对FastCGI的支持，Apache对Fcgi的支持很差，而Nginx对Fcgi的支持很是好；

在处理链接方式上，Nginx支持epoll，而Apache却不支持；

在空间使用上，Nginx安装包仅仅只有几百K，和Nginx比起来Apache绝对是庞然大物。

Nginx相对apache的优势

轻量级，一样起web 服务，比apache 占用更少的内存及资源

静态处理，Nginx 静态处理性能比 Apache 高 3倍以上

抗并发，nginx 处理请求是异步非阻塞的，而apache则是阻塞型的，在高并发下nginx 能保持低资源低消耗高性能。在Apache+PHP（prefork）模式下，若是PHP处理慢或者前端压力很大的状况下，很容易出现Apache进程数飙升，从而拒绝服务的现象。

高度模块化的设计，编写模块相对简单

社区活跃，各类高性能模块出品迅速啊

apache相对nginx的优势

rewrite，比nginx 的rewrite 强大

模块超多，基本想到的均可以找到

少bug，nginx的bug相对较多

超稳定

Apache对PHP支持比较简单，Nginx须要配合其余后端用

选择Nginx的优点所在

做为Web服务器: Nginx处理静态文件、索引文件，自动索引的效率很是高。

做为代理服务器，Nginx能够实现无缓存的反向代理加速，提升网站运行速度。

做为负载均衡服务器，Nginx既能够在内部直接支持Rails和PHP，也能够支持HTTP代理服务器对外进行服务，同时还支持简单的容错和利用算法进行负载均衡。

在性能方面，Nginx是专门为性能优化而开发的，在实现上很是注重效率。它采用内核Poll模型(epoll and kqueue )，能够支持更多的并发链接，最大能够支持对50 000个并发链接数的响应，并且只占用很低的内存资源。

在稳定性方面，Nginx采起了分阶段资源分配技术，使得CPU与内存的占用率很是低。Nginx官方表示，Nginx保持10 000个没有活动的链接，而这些链接只占用2.5MB内存，所以，相似DOS这样的攻击对Nginx来讲基本上是没有任何做用的。

在高可用性方面，Nginx支持热部署，启动速度特别迅速，所以能够在不间断服务的状况下，对软件版本或者配置进行升级，即便运行数月也无需从新启动，几乎能够作到7×24小时不间断地运行。

同时使用Nginx和Apache 因为Nginx和Apache各自的优点，如今不少人选择了让二者在服务器中共存。在服务器端让Nginx在前，Apache在后。由Nginx作负载均衡和反向代理，而且处理静态文件，讲动态请求（如PHP应用）交给Apache去处理。