浅谈Nginx服务器的内部核心架构设计

蔚落 2022-04-11 14:58 91阅读 0赞

# 前言 #

`Nginx` 是一个 **免费的**，**开源的**，**高性能** 的 `HTTP` 服务器和 **反向代理**，以及 `IMAP`/`POP3` 代理服务器。 `Nginx` 以其高性能，稳定性，丰富的功能，简单的配置和低资源消耗而闻名。`Nginx`是一个 `Web` 服务器，也可以用作 **反向代理**，**负载均衡器** 和 `HTTP` **缓存**。

很多高知名度的网站都使用 `Nginx`，如：`Netflix`，`GitHub`，`SoundCloud`，`MaxCDN` 等。

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# 正文 #

## 1. Nginx的整体架构 ##

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### 1.1. 主进程 ###

`Nginx` 启动时，会生成两种类型的 **进程***，一个是 **主进程**（`master`），**一个**（`windows` 版本的目前只有一个）或 **多个工作进程**（`worker`）。**主进程*\* 并不处理网络请求，主要负责 **调度工作进程**，也就是图示的 `3` 项：**加载配置**、**启动工作进程** 及 **非停升级**。所以，`Nginx` 启动以后，查看操作系统的进程列表，我们就能看到 **至少有两个** `Nginx` 进程。

### 1.2. 工作进程 ###

服务器实际 **处理网络请求** 及 **响应** 的是 **工作进程**（`worker`），在类 `unix` 系统上，`Nginx` 可以配置 **多个** `worker`，而每个 `worker` **进程** 都可以同时处理 **数以千计** 的 **网络请求**。

### 1.3. 模块化设计 ###

`Nginx` 的 `worker` 进程，包括 **核心** 和 **功能性模块**，**核心模块** 负责维持一个 **运行循环**（`run-loop`），执行网络请求处理的 **不同阶段** 的模块功能，比如：**网络读写**、**存储读写**、**内容传输**、**外出过滤**，以及 **将请求发往上游服务器** 等。而其代码的 **模块化设计**，也使得我们可以根据需要对 **功能模块** 进行适当的 **选择** 和 **修改**，编译成具有 **特定功能** 的服务器。

### 1.4. 事件驱动模型 ###

基于 **异步及非阻塞** 的 **事件驱动模型**，可以说是 `Nginx` 得以获得 **高并发**、**高性能** 的关键因素，同时也得益于对 `Linux`、`Solaris` 及类 `BSD` 等操作系统内核中 **事件通知** 及 `I/O` **性能增强功能** 的采用，如 `kqueue`、`epoll` 及 `event ports`。

### 1.5. 代理（proxy）设计 ###

**代理设计**，可以说是 `Nginx` 深入骨髓的设计，无论是对于 `HTTP`，还是对于 `FastCGI`、`Memcache`、`Redis` 等的网络请求或响应，本质上都采用了 **代理机制**。所以，`Nginx` 天生就是高性能的 **代理服务器**。

## 2. Nginx的模块化设计 ##

**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。

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### 2.1. 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。

### 2.2. 标准HTTP模块 ###

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

### 2.3. 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，比如：`Flash` **多媒体传输**、解析 `GeoIP` 请求、**网络传输压缩**、**安全协议** `SSL` 支持等。

### 2.4. 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。

### 2.5. 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，比如：`Json` 支持、`Lua` 支持等。

## 3. Nginx的请求方式处理 ##

`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**。

### 3.1. 多进程机制 ###

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，确保服务不会中断，从而将风险降到最低。

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**。

### 3.2. 异步非阻塞机制 ###

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**。

## 4. 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。

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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。

*  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**；
 *  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。

## 5. Nginx进程处理模型 ##

`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：

1.  **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**；
2.  **主进程** 通过 `fork()` 函数产生 `worker` **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 **抢占** `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。

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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。

### 5.1. 主进程与工作进程交互 ###

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。

### 5.2. 工作进程与工作进程交互 ###

这种交互是和 **主进程-工作进程** 交互是基本一致的，但是会通过 **主进程** 间接完成。**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。

# 小结 #

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，才能更好地领悟 `Nginx` 的设计思想。对于我们学习 `Nginx` 来说有很大的帮助。

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