Nginx-详解其原理

波波烤鸭 2020-11-13 05:00:06
nginx 原理 详解 nginx-


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
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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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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;

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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
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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

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Nginx服务器的请求处理过程

Nginx结合了多进程机制异步机制对外提供服务
Nginx服务启动后,会产生一个主进程多个工作进程

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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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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