Nginx架构浅析

最近项目中使用了基于Nginx的OpenResty的框架，于是有了想学习了解Nginx相关内容的想法，现将一些理解撰写成文，和大家讨论一下。

1.Nginx基础架构

nginx启动后以daemon形式在后台运行，后台进程包含一个master进程和多个worker进程。如下所示：
nginx是由一个master管理进程，多个worker进程处理工作的多进程模型。基础架构设计，如下所示：

master负责管理worker进程，worker进程负责处理网络事件。整个框架被设计为一种依赖事件驱动、异步、非阻塞的模式。

设计优点：

• 1.可以充分利用多核机器，增强并发处理能力。
• 2.多worker间可以实现负载均衡。
• 3.Master监控并统一管理worker行为。在worker异常后，可以主动拉起worker进程，从而提升了系统的可靠性。并且由Master进程控制服务运行中的程序升级、配置项修改等操作，从而增强了整体的动态可扩展与热更的能力。

2.Master进程

2.1核心逻辑

master进程的主逻辑在ngx_master_process_cycle，核心关注源码：

ngx_master_process_cycle(ngx_cycle_t *cycle)
{
    ...
    ngx_start_worker_processes(cycle, ccf->worker_processes,
                                        NGX_PROCESS_RESPAWN);
    ...

    
    for ( ;; ) {
        if (delay) {...}

        ngx_log_debug0(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0, "sigsuspend");

        sigsuspend(&set);

        ngx_time_update();

        ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0,
                             "wake up, sigio %i", sigio);

        if (ngx_reap) {
            ngx_reap = 0;
            ngx_log_debug0(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0, "reap children");
            live = ngx_reap_children(cycle);
        }

        if (!live && (ngx_terminate || ngx_quit)) {...}

        if (ngx_terminate) {...}

        if (ngx_quit) {...}

        if (ngx_reconfigure) {...}

        if (ngx_restart) {...}

        if (ngx_reopen) {...}

        if (ngx_change_binary) {...}

        if (ngx_noaccept) {
            ngx_noaccept = 0;
            ngx_noaccepting = 1;
            ngx_signal_worker_processes(cycle,
                                                  ngx_signal_value(NGX_SHUTDOWN_SIGNAL));
        }
    }
 }

由上述代码，可以理解，master进程主要用来管理worker进程，具体包括如下4个主要功能：

• 1.接受来自外界的信号。其中master循环中的各项标志位就对应着各种信号，如：ngx_quit代表QUIT信号，表示优雅的关闭整个服务。
• 2.向各个worker进程发送信。比如ngx_noaccept代表WINCH信号，表示所有子进程不再接受处理新的连接，由master向所有的子进程发送QUIT信号量。
• 3.监控worker进程的运行状态。比如ngx_reap代表CHILD信号，表示有子进程意外结束，这时需要监控所有子进程的运行状态，主要由ngx_reap_children完成。
• 4.当woker进程退出后（异常情况下），会自动重新启动新的woker进程。主要也是在ngx_reap_children

2.2热更

2.2.1热重载-配置热更

nginx热更配置时，可以保持运行中平滑更新配置，具体流程如下：

• 1.更新nginx.conf配置文件，向master发送SIGHUP信号或执行nginx -s reload
• 2.master进程使用新配置，启动新的worker进程
• 3.使用旧配置的worker进程，不再接受新的连接请求，并在完成已存在的连接后退出

2.2.2热升级-程序热更

nginx热升级过程如下：

• 1.将旧Nginx文件换成新Nginx文件（注意备份）
• 2.向master进程发送USR2信号（平滑升级到新版本的Nginx程序）
• 3.master进程修改pid文件号，加后缀.oldbin
• 4.master进程用新Nginx文件启动新master进程
• 5.向老master进程发送QUIT信号，关闭老master进程
• 6.回滚：向老master发送HUP（重读配置文件），向新master发送QUIT

3.Worker进程

3.1核心逻辑

worker进程的主逻辑在ngx_worker_process_cycle，核心关注源码：

ngx_worker_process_cycle(ngx_cycle_t *cycle, void *data)
{
    ngx_int_t worker = (intptr_t) data;

    ngx_process = NGX_PROCESS_WORKER;
    ngx_worker = worker;

    ngx_worker_process_init(cycle, worker);

    ngx_setproctitle("worker process");

    for ( ;; ) {

        if (ngx_exiting) {...}

        ngx_log_debug0(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0, "worker cycle");

        ngx_process_events_and_timers(cycle);

        if (ngx_terminate) {...}

        if (ngx_quit) {...}

        if (ngx_reopen) {...}
    }
}

由上述代码，可以理解，worker进程主要在处理网络事件，通过ngx_process_events_and_timers方法实现，其中事件主要包括：网络事件、定时器事件。

3.2事件驱动-epoll

worker进程在处理网络事件时，依靠epoll模型，来管理并发连接，实现了事件驱动、异步、非阻塞等特性。如下图所示：

通常海量并发连接过程中，每一时刻（相对较短的一段时间），往往只需要处理一小部分有事件的连接即活跃连接。基于以上现象，epoll通过将连接管理与活跃连接管理进行分离，实现了高效、稳定的网络IO处理能力。

其中，epoll利用红黑树高效的增删查效率来管理连接，利用一个双向链表来维护活跃连接。

3.3惊群

由于worker都是由master进程fork产生，所以worker都会监听相同端口。这样多个子进程在accept建立连接时会发生争抢，带来著名的“惊群”问题。
worker核心处理逻辑ngx_process_events_and_timers核心代码如下：

void ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle){
    //这里面会对监听socket处理
    ...
    
    if (ngx_accept_disabled > 0) {
            ngx_accept_disabled--;
    } else {
        //获得锁则加入wait集合,
        if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {
            return;
        }
        ...
        //设置网络读写事件延迟处理标志，即在释放锁后处理
        if (ngx_accept_mutex_held) {
            flags |= NGX_POST_EVENTS;
        }
    }
    ...
    //这里面epollwait等待网络事件
    //网络连接事件，放入ngx_posted_accept_events队列
    //网络读写事件，放入ngx_posted_events队列
    (void) ngx_process_events(cycle, timer, flags);
    ...
    //先处理网络连接事件，只有获取到锁，这里才会有连接事件
    ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_accept_events);
    //释放锁，让其他进程也能够拿到
    if (ngx_accept_mutex_held) {
        ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
    }
    //处理网络读写事件
    ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_events);
}

由上述代码可知，Nginx解决惊群的方法：

• 1.将连接事件与读写事件进行分离。连接事件存放为ngx_posted_accept_events，读写事件存放为ngx_posted_events。
• 2.设置ngx_accept_mutex锁，只有获得锁的进程，才可以处理连接事件。

3.4负载均衡

worker间的负载关键在于各自接入了多少连接，其中接入连接抢锁的前置条件是ngx_accept_disabled > 0，所以ngx_accept_disabled就是负载聚恒机制实现的关键阈值。

ngx_int_t             ngx_accept_disabled;
ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n / 8 - ngx_cycle->free_connection_n;

因此，在nginx启动时，ngx_accept_disabled的值就是一个负数，其值为连接总数的7/8。当该进程的连接数达到总连接数的7/8时，该进程就不会再处理新的连接了，同时每次调用’ngx_process_events_and_timers’时，将ngx_accept_disabled减1，直到其值低于阈值时，才试图重新处理新的连接。因此，nginx各worker子进程间的负载均衡仅在某个worker进程处理的连接数达到它最大处理总数的7/8时才会触发，其负载均衡并不是在任意条件都满足。如下图所示：

其中’pid’为1211的进程为master进程，其余为worker进程

4.思考

4.1为什么不采用多线程模型管理连接？

• 1.无状态服务，无需共享进程内存
• 2.采用独立的进程，可以让互相之间不会影响。一个进程异常崩溃，其他进程的服务不会中断，提升了架构的可靠性。
• 3.进程之间不共享资源，不需要加锁，所以省掉了锁带来的开销。

4.2为什么不采用多线程处理逻辑业务？

• 1.进程数已经等于核心数，再新建线程处理任务，只会抢占现有进程，增加切换代价。
• 2.作为接入层，基本上都是数据转发业务，网络IO任务的等待耗时部分，已经被处理为非阻塞/全异步/事件驱动模式，在没有更多CPU的情况下，再利用多线程处理，意义不大。并且如果进程中有阻塞的处理逻辑，应该由各个业务进行解决，比如openResty中利用了Lua协程，对阻塞业务进行了优化。

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