Nginx 架构初探

作者:郑杭进
原文:http://www.linkedkeeper.com/detail/blog.action?bid=1036

一、Nginx 模块化设计

高度模块化的设计是 Nginx 的架构基础。Nginx 服务器被分解为多个模块,每个模块就是一个功能模块,只负责自身的功能,模块之间严格遵循“高内聚,低耦合”的原则。

  • 核心模块

核心模块是 Nginx 服务器正常运行必不可少的模块,提供错误日志记录、配置文件解析、事件驱动机制、进程管理等核心功能。

  • 标准 HTTP 模块

标准 HTTP 模块提供 HTTP 协议解析相关的功能,如:端口配置、网页编码设置、HTTP 响应头设置等。

  • 可选 HTTP 模块

可选 HTTP 模块主要用于扩展标准的 HTTP 功能,让 Nginx 能处理一些特殊的服务,如:Flash 多媒体传输、解析 GeoIP 请求、SSL 支持等。

  • 邮件服务模块

邮件服务模块主要用于支持 Nginx 的邮件服务,包括对 POP3 协议、IMAP 协议和 SMTP 协议的支持。

  • 第三方模块

第三方模块是为了扩展 Nginx 服务器应用,完成开发者自定义功能,如:Json 支持、Lua 支持等。

二、Nginx 请求处理方式

Nginx 是一个高性能的 Web 服务器,能够同时处理大量的并发请求。它结合多进程机制和异步机制,异步机制使用的是异步非阻塞方式,接下来就给大家介绍一下 Nginx 的多线程机制和异步非阻塞机制。

  • 多进程

服务器每当收到一个客户端时。就有服务器主进程(master process)生成一个子进程(worker process)出来和客户端建立连接进行交互,直到连接断开,该子进程就结束了。使用进程的好处是各个进程之间相互独立,不需要加锁,减少了使用锁对性能造成影响,同时降低编程的复杂度,降低开发成本。其次,采用独立的进程,可以让进程互相之间不会影响,如果一个进程发生异常退出时,其它进程正常工作,master 进程则很快启动新的 worker 进程,确保服务部中断,将风险降到最低。缺点是操作系统生成一个子进程需要进行内存复制等操作,在资源和时间上会产生一定的开销;当有大量请求时,会导致系统性能下降。

  • 异步非阻塞

每个工作进程使用异步非阻塞方式,可以处理多个客户端请求。当某个工作进程接收到客户端的请求以后,调用 IO 进行处理,如果不能立即得到结果,就去处理其他的请求(即为非阻塞);而客户端在此期间也无需等待响应,可以去处理其他事情(即为异步);当 IO 返回时,就会通知此工作进程;该进程得到通知,暂时挂起当前处理的事务去响应客户端请求。

三、Nginx 事件驱动模型

在 Nginx 的异步非阻塞机制中,工作进程在调用 IO 后,就去处理其他的请求,当 IO 调用返回后,会通知该工作进程。对于这样的系统调用,主要使用 Nginx 服务器的事件驱动模型来实现。

如上图所示,Nginx 的事件驱动模型由事件收集器、事件发送器和事件处理器三部分基本单元组成。其中,事件收集器负责收集 worker 进程的各种 IO 请求,事件发送器负责将 IO 事件发送到事件处理器,而事件处理器负责各种事件的响应工作。

事件发送器将每个请求放入一个待处理事件的列表,使用非阻塞 I/O 方式调用“事件处理器”来处理该请求。其处理方式称为“多路 IO 复用方法”,常见的包括以下三种:select 模型、poll 模型、epoll 模型。

四、Nginx 设计架构

Nginx 服务器使用 master/worker 多进程模式。多线程启动和执行的流程如下:主程序 Master process 启动后,通过一个 for 循环来接收和处理外部信号;主进程通过 fork() 函数产生子进程,每个子进程执行一个 for 循环来实现 Nginx 服务器对事件的接收和处理。

一般推荐 worker 进程数与 cpu 内核数一致,这样一来不存在大量的子进程生成和管理任务,避免了进程之间竞争 CPU 资源和进程切换的开销。而且 Nginx 为了更好的利用多核特性,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。

对于每个请求,有且只有一个工作进程对其处理。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,为保证只有一个进程处理该连接,所有 worker 进程在注册 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。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。

在 Nginx 服务器的运行过程中,主进程和工作进程需要进程交互。交互依赖于 Socket 实现的管道来实现。

  • Master-Worker 交互

这条管道与普通的管道不同,它是由主进程指向工作进程的单向管道,包含主进程向工作进程发出的指令,工作进程 ID 等;同时主进程与外界通过信号通信;每个子进程具备接收信号,并处理相应的事件的能力。

  • worker-worker 交互

这种交互是和 Master-Worker 交互是基本一致的,但是会通过主进程。工作进程之间是相互隔离的,所以当工作进程 W1 需要向工作进程 W2 发指令时,首先找到 W2 的进程 ID,然后将正确的指令写入指向 W2 的通道。W2 收到信号采取相应的措施。

五、总结

通过这篇文章,我们对 Nginx 服务器的整体架构有了一个整体的认识。包括其模块化的设计、多进程和异步非阻塞的请求处理方式、事件驱动模型等。通过这些理论知识,对于我们以后学习 Nginx 的源码有很大的帮助;也推荐大家多看看 Nginx 的源码,才能更好地领悟 Nginx 的设计思想。

本文分享自微信公众号 - Java架构沉思录(code-thinker),作者:郑杭进

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原始发表时间:2018-09-15

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