Nginx-详解其原理

分手后的思念是犯贱 2023-02-11 07:20 4阅读 0赞

前面介绍了很多Nginx实战方面的内容，本文我们来介绍下Nginx的原理。

# Nginx进程模型分析 #

在介绍Nginx的进程模型之前我们先来给大家解释下一些常见的名词，这能辅助我们更好的了解Nginx的进程模型。作为Web服务器，设计的初衷就是为了能够处理更多的客户端的请求，一般来说，完成并行处理请求工作有三种方式可以选择，`多进程`、`多线程`、`异步`方式。

## 多进程方式 ##

服务器每接收到一个客户端请求，就会由主进程生成一个子进程出来和该请求建立连接进行交互，直到连接断开以后子进程也就结束了  
  `优点`在于各个子进程之间相互独立，各个客户端请求之间相互不受干扰。  
  `缺点`是生成一个子进程需要进行内存复制、在资源和时间上会产生一定的额外开销。如果请求比较多的时候，会对系统资源造成一定的压力

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## 多线程方式 ##

多线程方式和多进程方式很相似，服务器每接收到一个客户端请求时，会产生一个线程与该客户端进行交互。而产生一个线程的开销比进程小很多，所以多线程的方式在一定程度上减轻了web服务器对系统资源的要求。  
`缺点`是多线程之间存在内存共享、彼此间存在相互影响的情况  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM4NTI2NTcz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 异步方式 ##

异步方式和前面说的两种方式完全不一样，关于异步这块，还有几个概念`同步`、`异步`； `阻塞`、`非阻塞`，在这里一起做一个讲解  
  关于同步和异步，我们很好理解。同步机制是指发送方发送请求后，需要等待接收方返回响应后，才能发送下一个请求，而异步机制，发送方发送请求后，不等待接收方响应这个请求，就继续发送下个请求。  
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阻塞和非阻塞，主要指socket读写数据的阻塞和非阻塞方式。Socket的本质其实也是IO操作。每一个TCP Socket的内核中都有一个发送缓冲区和接收缓冲区。对与阻塞模式来说，如果接收缓冲区为空，那么socket的read方法的线程就会阻塞，直到有数据进入接收缓冲区。而对于写数据到socket中而言，如果待发送的数据长度大于发送缓冲区的空余长度，那么write方法会进入阻塞。  
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![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM4NTI2NTcz_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

乍一看这四个概念的解释会瞬间感到头大，也经常讲同步异步等同于阻塞非阻塞，其实，区分他们非常简单。

同步异步与阻塞非阻塞的主要区别是针对对象不同。

**同步异步**是针对`调用者`来说的，调用者发起一个请求后，一直干等被调用者的反馈就是同步，不必等去做别的事就是异步。

**阻塞非阻塞**是针对`被调用者`来说的，被调用者收到一个请求后，做完请求任务后才给出反馈就是阻塞，收到请求直接给出反馈再去做任务就是非阻塞。

而对于非阻塞模式来说，通过事件触发的方式来达到目的。我们可以认为NIO底层中存在一个I/O调度线程，它不断的扫描每个Socket的缓冲区，当发现写入缓冲区为空的时候，它会产生一个Socket可写事件，此时程序就可以把数据写入到Socket中。如果一次写不完，就等待下一次的可写事件通知；反之，当发现缓冲区里有数据的时候，它会产生一个Socket可读事件，程序收到这个通知事件就可以从Socket读取数据了。  
  那么基于这些概念又引除了四个概念： `同步阻塞`、`同步非阻塞`、`异步阻塞`、`异步非阻塞`

同步阻塞：发送方向接收方发送请求后，一直等待接收方响应；接收方在处理请求时进行的IO操作如果不能马上得到结果，就一直等待结果返回才响应发送方。期间一直处于阻塞状态；

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM4NTI2NTcz_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
同步非阻塞：发送方向接收方发送请求后，一直等待响应，接收方在进行IO操作的时候，可以不需要等待直接去做其他事，而因为还没有获得结果，发送方仍然处于等待状态。接收方获得io的操作完成后，把结果响应给发送方，接收方才进入下一次请求过程  
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异步阻塞：发送方向接收方发送请求后，不用等待响应，可以接着进行其他操作。接收方处理请求时进行的IO操作如果不能立刻获得结果，就一直等待返回结果后向发送方响应  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM4NTI2NTcz_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

异步非阻塞：发送方发送请求后，不用等待响应，可以继续做其他事情。接收方处理请求时进行的IO操作如果不能马上得到结果，也不等待，而是去做其他事情。当io操作完成后，把结果通知给接收方，接收方再响应给发送方

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM4NTI2NTcz_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

# Nginx服务器的请求处理过程 #

Nginx结合了`多进程机制`和`异步机制`对外提供服务  
  Nginx服务启动后，会产生一个`主进程`和`多个工作进程`。

master进程主要用来管理worker进程，包含：接收来自外界的信号，向各worker进程发送信号，监控worker进程的运行状态，当worker进程退出后(异常情况下)，会自动重新启动新的worker进程  
  而基本的网络事件，则是放在worker进程中来处理了。多个worker进程之间是对等的，他们同等竞争来自客户端的请求，各进程互相之间是独立的。一个请求，只可能在一个worker进程中处理，一个worker进程，不可能处理其它进程的求，worker进程的个数是可以设置的，一般我们会设置与机器cpu核数一致

> Master进程的作用是？  
> 读取并验证配置文件nginx.conf；管理worker进程；  
> Worker进程的作用是？  
> 每一个Worker进程都维护一个线程（避免线程切换），处理连接和请求；注意Worker进程的个数由配置文件决定，一般和CPU个数相关（有利于进程切换），配置几个就有几个Worker进程。

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## 热部署 ##

master来管理worker进程，所以我们只需要与master进程通信就行了。master进程会接收来自外界发来的信号，再根据信号做不同的事情,比如我们前面常用的

./sbin/nginx -c conf/nginx.conf -s reload

> 执行这个命令时，master收到这个信号以后先启动一个新的Nginx进程，而新的Nginx进程在解析到reload参数后，就知道是要控制Nginx来重新加载配置文件，它会向master进程发送信号，然后master会重新加载配置文件，在启动新的worker进程，并向所有老的worker进程发送信号，告诉他们可以退休了，新的worker启动之后就可以以新的配置文件接收新的请求了 – 热部署的原理

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## worker进程是如何处理请求？ ##

我们基本上知道了在操作nginx时，nginx内部所做的事情，那么worker进程是如何处理请求的呢？ 在Nginx中，所有的worker进程都是平等的，每个进程处理每个请求的机会是一样的。当我们提供80端口的http服务时，一个连接请求过来，每个进程都可能处理这个连接。  
  worker进程是从master进程fork过来的，而在master进程中，会先建立好需要listen的socket，然后fork出多个worker进程，当有新连接请求过来时work进程可以去处理，为了避免惊群效应，worker进程在处理请求之前先要去抢占accept\_mutex，也就是互斥锁，当获得锁成功以后，就可以去解析处理这个请求。请求处理完以后再返回给客户端。

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![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM4NTI2NTcz_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]  
  进程模型的处理方式带来的一些好处就是：进程之间是独立的，也就是一个worker进程出现异常退出，其他worker进程是不会受到影响的；此外，独立进程也会避免一些不需要的锁操作，这样子会提高处理效率，并且开发调试也更容易。

worker进程会竞争监听客户端的连接请求：这种方式可能会带来一个问题，就是可能所有的请求都被一个worker进程给竞争获取了，导致其他进程都比较空闲，而某一个进程会处于忙碌的状态，这种状态可能还会导致无法及时响应连接而丢弃discard掉本有能力处理的请求。这种不公平的现象，是需要避免的，尤其是在高可靠web服务器环境下。

针对这种现象，Nginx采用了一个是否打开accept\_mutex选项的值，ngx\_accept\_disabled标识控制一个worker进程是否需要去竞争获取accept\_mutex选项，进而获取accept事件

> ngx\_accept\_disabled值：nginx单进程的所有连接总数的八分之一，减去剩下的空闲连接数量，得到的这个ngx\_accept\_disabled。  
> 当ngx\_accept\_disabled大于0时，不会去尝试获取accept\_mutex锁，并且将ngx\_accept\_disabled减1，于是，每次执行到此处时，都会去减1，直到小于0。不去获取accept\_mutex锁，就是等于让出获取连接的机会，很显然可以看出，当空闲连接越少时，ngx\_accept\_disable越大，于是让出的机会就越多，这样其它进程获取锁的机会也就越大。不去accept，自己的连接就控制下来了，其它进程的连接池就会得到利用，这样，nginx就控制了多进程间连接的平衡了。

好了~本文先介绍到这里，有问题的欢迎留言交流

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