从nginx热更新聊一聊Golang中的服务器热更新（上）

时间  2021-08-15

静态语言在服务器编程时都会遇到这样的问题：如何保证已有的连接服务不中断同时又升级版本？
最近花了点时间看了下nginx热更新代码流程，想了下结合之前的经验一并总结下热更新

1. 热更新是什么？

简单翻译成人类可读的实例是如下这个样子：

举个例子，你现在在坐卡车，卡车开到了150KM/H
然后，有个轮胎，爆了
然后，司机说，你就直接换吧，我不停车。你小心点换
嗯。就这个意思

2.网关中的热更新

服务程序热更新这个问题在层7网关中尤其严重，网关中承载着大量的请求，包括HTTP/HTTPS短连接、HTTP/HTTPS长连接、甚至是websocket这种超长连接（websocket通常连接时间会很长，十几分钟到几天不等）。这样的话我们势必不能讲服务程序停止再启动的冷更新，服务进程热更新是非常有必要的。

网关作为一个基础组件，需要保证高可用，是很难将其先停下来再更新的；

有人说可以使用负载均衡将需要更新的组件先隔离，再停机更新，但是如果是一个很小的集群没有负载均衡呢，又或者这样手动一台一台升级也着实麻烦，部分情况下就算隔离了也不过是不会有新的连接过来，旧的连接/请求依旧需要处理完成，否则就会造成部分服务不可用。

不过实际上线上操作是集群隔离加热更新一起操作

3.nginx热更新(Upgrading Executable on the Fly)

nginx [engine x]是Igor Sysoev编写的一个HTTP和反向代理服务器，另外它也可以作为邮件代理服务器。 它已经在众多流量很大的俄罗斯网站上使用了很长时间，这些网站包括Yandex、Mail.Ru、VKontakte，以及Rambler。据Netcraft统计，在2012年8月份，世界上最繁忙的网站中有11.48%使用Nginx作为其服务器或者代理服务器。

NginX采用Master/Worker的多进程模型，Master进程负责整个NginX进程的管理。Nginx的模块化、热更新、Http处理流程、日志等机制都非常经典。这里将会简要介绍一下热更新的机制

3.1 nginx热升级流程

步骤1、升级nginx二进制文件，需要先将新的nginx可执行文件替换原有旧的nginx文件，然后给nginx master进程发送USR2信号，告知其开始升级可执行文件；nginx master进程会将老的pid文件增加.oldbin后缀，然后拉起新的master和worker进程，并写入新的master进程的pid。

UID        PID  PPID  C STIME TTY          TIME CMD
root      4584     1  0 Oct17 ?        00:00:00 nginx: master process /usr/local/apigw/apigw_nginx/nginx
root     12936  4584  0 Oct26 ?        00:03:24 nginx: worker process
root     12937  4584  0 Oct26 ?        00:00:04 nginx: worker process
root     12938  4584  0 Oct26 ?        00:00:04 nginx: worker process
root     23692  4584  0 21:28 ?        00:00:00 nginx: master process /usr/local/apigw/apigw_nginx/nginx
root     23693 23692  3 21:28 ?        00:00:00 nginx: worker process
root     23694 23692  3 21:28 ?        00:00:00 nginx: worker process
root     23695 23692  3 21:28 ?        00:00:00 nginx: worker process

步骤2、在此之后，所有工作进程(包括旧进程和新进程)将会继续接受请求。这时候，需要发送WINCH信号给nginx master进程，master进程将会向worker进程发送消息，告知其需要进行graceful shutdown，worker进程会在连接处理完之后进行退出。

UID        PID  PPID  C STIME TTY          TIME CMD
root      4584     1  0 Oct17 ?        00:00:00 nginx: master process /usr/local/apigw/apigw_nginx/nginx
root     12936  4584  0 Oct26 ?        00:03:24 nginx: worker process
root     12937  4584  0 Oct26 ?        00:00:04 nginx: worker process
root     12938  4584  0 Oct26 ?        00:00:04 nginx: worker process
root     23692  4584  0 21:28 ?        00:00:00 nginx: master process /usr/local/apigw/apigw_nginx/nginx
#若旧的worker进程还需要处理连接，则worker进程不会立即退出，需要待消息处理完后再退出

步骤3、经过一段时间之后，将会只会有新的worker进程处理新的连接。

注意，旧master进程并不会关闭它的listen socket；因为如果出问题后，需要回滚，master进程需要法重新启动它的worker进程。

步骤4、如果升级成功，则可以向旧master进程发送QUIT信号，停止老的master进程；如果新的master进程（意外）退出，那么旧master进程将会去掉自己的pid文件的.oldbin后缀。

3.2 nginx热更新相关信号

master进程相关信号

USR2	升级可执行文件
WINCH	优雅停止worker进程
QUIT	优雅停止master进程

worker进程相关信号

TERM, INT	快速退出进程
QUIT	优雅停止进程

3.3 nginx相关代码走读

1、USR2流程

USR2流程
master收到USR2信号后，会拉起新的master nginx进程；

新的master进程拉起新的worker进程；

最终，老的worker进程和新的worker进程共用一个listen socket，接受连接。

也就是此时这里实现了端口复用的技术，也就是REUSEPORT

2、WINCH流程

WINCH流程
master进程收到WINCH信号后，会给各个worker进程发送QUIT信号，让其优雅退出；master进程并不再处理新的连接。

WINCH流程

worker graceful shutdown流程，关闭listen socket，不再处理新的连接；待已有连接处理完后，清理连接，退出进程。

3、QUIT流程

master graceful shutdown流程，没什么好说的

3.4 nginx热升级 QA

1、如何防止多次可执行文件触发热更新？
相关代码
ngx_signal_handler
-->
case ngx_signal_value(NGX_CHANGEBIN_SIGNAL):
    if (ngx_getppid() == ngx_parent || ngx_new_binary > 0) {

        /*
            * Ignore the signal in the new binary if its parent is
            * not changed, i.e. the old binary's process is still
            * running.  Or ignore the signal in the old binary's
            * process if the new binary's process is already running.
            */

        action = ", ignoring";
        ignore = 1;
        break;
    }

    ngx_change_binary = 1;
    action = ", changing binary";
    break;

若老的nginx还在，nginx无法进行热更新二进制文件

2、nginx升级过程中，发现新的可执行文件出现问题该如何回滚？
  • a、向旧master进程发送HUP信号。旧进程将启动新的worker进程，而且不会重新读取配置。之后，通过向新的主master进程发送QUIT信号，可以优雅地关闭新的master和worker进程。
  • b、将TERM信号发送到新的master进程，然后新的master进程将向其worker进程发送一条消息，让它们立即退出，这种退出不是graceful shutdown。当新的master进程退出时，旧的master进程将启动新的worker进程。
  • c、如果新的进程没有退出，则应该向它们发送终止KILL信号。当新的master进程退出时，旧的master进程将启动新的工作进程。
3、什么是graceful shutdown

本文中的graceful shutdown是指server不再处理新的连接，但是进程不会立即退出，待所有连接断开后再退出进程。

4. 总结

总结一下个人在nginx二进制文件热升级时用的命令

cd /usr/local/nginx
cp nginx nginx_bak 
mv /data/nginx/nginx ./nginx #需要使用mv来更新二进制文件
./nginx -t #尝试启动，查看其加载配置文件等初始化功能是否正常

netstat -anp | grep -E "80|443" | grep nginx #检查连接状态
kill -USR2 `cat /usr/local/nginx/nginx.pid` #升级nginx可执行文件，此时会有两组nginx master和worker进程
kill -WINCH `cat /usr/local/nginx/nginx.pid.oldbin` #新的可执行文件启动ok，且能够正常处理数据流，告知老的master进程去通知其worker进程进行优雅退出

...
kill -QUIT `cat /usr/local/nginx/nginx.pid.oldbin` #待所有的老的nginx worker进程优雅退出后（处理完连接），停止老的master进程

TODO：nginx还会有依赖的so文件的热升级–其实更应该属于后台进程的so文件热升级流程，我在使用它的时候也踩过坑–主要原因还是操作不规范，对so其加载运行原理不够熟悉导致

5.额外

实际上，静态语言后端server有一套固定的热升级（单进程）流程，其基本流程如下：

若需要支持热升级的是多进程，那么nginx的热升级过程是最值得参考的

  • 1、通过调用 fork/exec 启动新的版本的进程，

  • 2、子进程调用接口获取从父进程继承的 socket 文件描述符重新监听socket

  • 3、在此过程中，不会对用户请求造成任何中断。

nginx的热升级流程也是类似，只不过由于nginx工作是多进程，故它会先启动新版本的一组master/worker进程；

然后停止老的worker进程，让其不处理连接，由新的worker进程来处理连接；

升级完毕后，即可退出老的master进程，热升级完成。

6.参考

http://tengine.taobao.org/nginx_docs/cn/docs/control.html

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