Nginx 架構淺析

作者：handsomeli，騰訊 IEG 後臺開發工程師

1.Nginx 基礎架構

nginx 啓動後以 daemon 形式在後臺運行，後臺進程包含一個 master 進程和多個 worker 進程。如下圖所示：

master 與 worker

nginx 是由一個 master 管理進程，多個 worker 進程處理工作的多進程模型。基礎架構設計，如下圖所示：

基礎架構設計

master 負責管理 worker 進程，worker 進程負責處理網絡事件。整個框架被設計爲一種依賴事件驅動、異步、非阻塞的模式。

如此設計的優點：

1. 可以充分利用多核機器，增強併發處理能力。
1. 多 worker 間可以實現負載均衡。
3.Master 監控並統一管理 worker 行爲。在 worker 異常後，可以主動拉起 worker 進程，從而提升了系統的可靠性。並且由 Master 進程控制服務運行中的程序升級、配置項修改等操作，從而增強了整體的動態可擴展與熱更的能力。

2.Master 進程

2.1 核心邏輯

master 進程的主邏輯在ngx_master_process_cycle，核心關注源碼：

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));
        }
    }
 }

由上述代碼，可以理解，master 進程主要用來管理 worker 進程，具體包括如下 4 個主要功能：

1. 接受來自外界的信號。其中 master 循環中的各項標誌位就對應着各種信號，如：ngx_quit代表QUIT信號，表示優雅的關閉整個服務。
1. 向各個 worker 進程發送信。比如ngx_noaccept代表WINCH信號，表示所有子進程不再接受處理新的連接，由 master 向所有的子進程發送 QUIT 信號量。
1. 監控 worker 進程的運行狀態。比如ngx_reap代表CHILD信號，表示有子進程意外結束，這時需要監控所有子進程的運行狀態，主要由ngx_reap_children完成。
1. 當 woker 進程退出後（異常情況下），會自動重新啓動新的 woker 進程。主要也是在ngx_reap_children

2.2 熱更

2.2.1 熱重載 - 配置熱更

熱重載

nginx 熱更配置時，可以保持運行中平滑更新配置，具體流程如下：

1. 更新 nginx.conf 配置文件，向 master 發送 SIGHUP 信號或執行 nginx -s reload
2.master 進程使用新配置，啓動新的 worker 進程
1. 使用舊配置的 worker 進程，不再接受新的連接請求，並在完成已存在的連接後退出

2.2.2 熱升級 - 程序熱更

熱升級

nginx 熱升級過程如下：

1. 將舊 Nginx 文件換成新 Nginx 文件（注意備份）
1. 向 master 進程發送 USR2 信號（平滑升級到新版本的 Nginx 程序）
3.master 進程修改 pid 文件號，加後綴. oldbin
4.master 進程用新 Nginx 文件啓動新 master 進程，此時新老 master/worker 同時存在。
1. 向老 master 發送 WINCH 信號，關閉舊 worker 進程，觀察新 worker 進程工作情況。若升級成功，則向老 master 進程發送 QUIT 信號，關閉老 master 進程；若升級失敗，則需要回滾，向老 master 發送 HUP 信號（重讀配置文件），向新 master 發送 QUIT 信號，關閉新 master 及 worker。

3.Worker 進程

3.1 核心邏輯

worker 進程的主邏輯在ngx_worker_process_cycle，核心關注源碼：

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) {...}
    }
}

由上述代碼，可以理解，worker 進程主要在處理網絡事件，通過ngx_process_events_and_timers方法實現，其中事件主要包括：網絡事件、定時器事件。

3.2 事件驅動 - epoll

worker 進程在處理網絡事件時，依靠 epoll 模型，來管理併發連接，實現了事件驅動、異步、非阻塞等特性。如下圖所示：

infographic-Inside-NGINX_nonblocking

通常海量併發連接過程中，每一時刻（相對較短的一段時間），往往只需要處理一小部分有事件的連接即活躍連接。基於以上現象，epoll 通過將連接管理與活躍連接管理進行分離，實現了高效、穩定的網絡 IO 處理能力。

網絡模型對比

其中，epoll 利用紅黑樹高效的增刪查效率來管理連接，利用一個雙向鏈表來維護活躍連接。

epoll 數據結構

3.3 驚羣

由於 worker 都是由 master 進程 fork 產生，所以 worker 都會監聽相同端口。這樣多個子進程在 accept 建立連接時會發生爭搶，帶來著名的 “驚羣” 問題。worker 核心處理邏輯ngx_process_events_and_timers核心代碼如下：

void ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle){
    //這裏面會對監聽socket處理
    ...

    if (ngx_accept_disabled > 0) {
            ngx_accept_disabled--;
    } else {
        //獲得鎖則加入wait集合,
        if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {
            return;
        }
        ...
        //設置網絡讀寫事件延遲處理標誌，即在釋放鎖後處理
        if (ngx_accept_mutex_held) {
            flags |= NGX_POST_EVENTS;
        }
    }
    ...
    //這裏面epollwait等待網絡事件
    //網絡連接事件，放入ngx_posted_accept_events隊列
    //網絡讀寫事件，放入ngx_posted_events隊列
    (void) ngx_process_events(cycle, timer, flags);
    ...
    //先處理網絡連接事件，只有獲取到鎖，這裏纔會有連接事件
    ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_accept_events);
    //釋放鎖，讓其他進程也能夠拿到
    if (ngx_accept_mutex_held) {
        ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
    }
    //處理網絡讀寫事件
    ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_events);
}

由上述代碼可知，Nginx 解決驚羣的方法：

1. 將連接事件與讀寫事件進行分離。連接事件存放爲ngx_posted_accept_events，讀寫事件存放爲ngx_posted_events。
1. 設置ngx_accept_mutex鎖，只有獲得鎖的進程，纔可以處理連接事件。

3.4 負載均衡

worker 間的負載關鍵在於各自接入了多少連接，其中接入連接搶鎖的前置條件是ngx_accept_disabled > 0，所以ngx_accept_disabled就是負載均衡機制實現的關鍵閾值。

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

因此，在 nginx 啓動時，ngx_accept_disabled的值就是一個負數，其值爲連接總數的 7/8。當該進程的連接數達到總連接數的 7/8 時，該進程就不會再處理新的連接了，同時每次調用'ngx_process_events_and_timers'時，將ngx_accept_disabled減 1，直到其值低於閾值時，才試圖重新處理新的連接。因此，nginx 各 worker 子進程間的負載均衡僅在某個 worker 進程處理的連接數達到它最大處理總數的 7/8 時纔會觸發，其負載均衡並不是在任意條件都滿足。如下圖所示：

實際工作情況

其中'pid'爲 1211 的進程爲 master 進程，其餘爲 worker 進程

4. 思考

4.1 爲什麼不採用多線程模型管理連接？

1. 無狀態服務，無需共享進程內存
1. 採用獨立的進程，可以讓互相之間不會影響。一個進程異常崩潰，其他進程的服務不會中斷，提升了架構的可靠性。
1. 進程之間不共享資源，不需要加鎖，所以省掉了鎖帶來的開銷。

4.2 爲什麼不採用多線程處理邏輯業務？

1. 進程數已經等於核心數，再新建線程處理任務，只會搶佔現有進程，增加切換代價。
1. 作爲接入層，基本上都是數據轉發業務，網絡 IO 任務的等待耗時部分，已經被處理爲非阻塞 / 全異步 / 事件驅動模式，在沒有更多 CPU 的情況下，再利用多線程處理，意義不大。並且如果進程中有阻塞的處理邏輯，應該由各個業務進行解決，比如 openResty 中利用了 Lua 協程，對阻塞業務進行了優化。

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