一文看懂Nginx架构


【编者的话】最近使用了基于Nginx的OpenResty的框架,于是对Nginx相关内容进行了学习,现将一些理解撰写成文,和大家探讨。

Nginx基础架构

Nginx启动后以daemon形式在后台运行,后台进程包含一个master进程和多个worker进程。如下图所示:
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Nginx是由一个master管理进程,多个worker进程处理工作的多进程模型。基础架构设计,如下图所示:
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Master负责管理worker进程,worker进程负责处理网络事件。整个框架被设计为一种依赖事件驱动、异步、非阻塞的模式

如此设计的优点有:
  • 可以充分利用多核机器,增强并发处理能力。
  • 多worker间可以实现负载均衡。
  • Master监控并统一管理worker行为。在worker异常后,可以主动拉起worker进程,从而提升了系统的可靠性。并且由Master进程控制服务运行中的程序升级、配置项修改等操作,从而增强了整体的动态可扩展与热更的能力。


Master进程

核心逻辑

Master进程的主逻辑在ngx_master_process_cycle,核心关注源码:
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));
    }
}


由上述代码,可以理解,master进程主要用来管理worker进程,具体包括如下4个主要功能:
  • 接受来自外界的信号。其中master循环中的各项标志位就对应着各种信号,如:ngx_quit代表QUIT信号,表示优雅的关闭整个服务。
  • 向各个worker进程发送信。比如ngx_noaccept代表WINCH信号,表示所有子进程不再接受处理新的连接,由master向所有的子进程发送QUIT信号量。
  • 监控worker进程的运行状态。比如ngx_reap代表CHILD信号,表示有子进程意外结束,这时需要监控所有子进程的运行状态,主要由ngx_reap_children完成。
  • 当woker进程退出后(异常情况下),会自动重新启动新的woker进程。主要也是在ngx_reap_children。


热更

1)热重载-配置热更
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Nginx热更配置时,可以保持运行中平滑更新配置,具体流程如下:
  • 更新nginx.conf配置文件,向master发送SIGHUP信号或执行nginx -s reload
  • Master进程使用新配置,启动新的worker进程
  • 使用旧配置的worker进程,不再接受新的连接请求,并在完成已存在的连接后退出


2)热升级-程序热更

Nginx热升级过程如下:
4.png

  • 将旧Nginx文件换成新Nginx文件(注意备份)
  • 向master进程发送USR2信号(平滑升级到新版本的Nginx程序)
  • master进程修改pid文件号,加后缀.oldbin
  • master进程用新Nginx文件启动新master进程,此时新老master/worker同时存在。
  • 向老master发送WINCH信号,关闭旧worker进程,观察新worker进程工作情况。若升级成功,则向老master进程发送QUIT信号,关闭老master进程;若升级失败,则需要回滚,向老master发送HUP信号(重读配置文件),向新master发送QUIT信号,关闭新master及worker。


Worker进程

核心逻辑

Worker进程的主逻辑在ngx_worker_process_cycle,核心关注源码:
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) {...}
}


由上述代码,可以理解,worker进程主要在处理网络事件,通过ngx_process_events_and_timers方法实现,其中事件主要包括:网络事件、定时器事件。

事件驱动-epoll

Worker进程在处理网络事件时,依靠epoll模型,来管理并发连接,实现了事件驱动、异步、非阻塞等特性。如下图所示:
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通常海量并发连接过程中,每一时刻(相对较短的一段时间),往往只需要处理一小部分有事件的连接即活跃连接。基于以上现象,epoll通过将连接管理与活跃连接管理进行分离,实现了高效、稳定的网络IO处理能力。
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其中,epoll利用红黑树高效的增删查效率来管理连接,利用一个双向链表来维护活跃连接。
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惊群

由于worker都是由master进程fork产生,所以worker都会监听相同端口。这样多个子进程在accept建立连接时会发生争抢,带来著名的“惊群”问题。

Worker核心处理逻辑ngx_process_events_and_timers核心代码如下:
void ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle){
//这里面会对监听socket处理
...

if (ngx_accept_disabled > 0) {
        ngx_accept_disabled--;
} else {
    //获得锁则加入wait集合,
    if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {
        return;
    }
    ...
    //设置网络读写事件延迟处理标志,即在释放锁后处理
    if (ngx_accept_mutex_held) {
        flags |= NGX_POST_EVENTS;
    }
}
...
//这里面epollwait等待网络事件
//网络连接事件,放入ngx_posted_accept_events队列
//网络读写事件,放入ngx_posted_events队列
(void) ngx_process_events(cycle, timer, flags);
...
//先处理网络连接事件,只有获取到锁,这里才会有连接事件
ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_accept_events);
//释放锁,让其他进程也能够拿到
if (ngx_accept_mutex_held) {
    ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
}
//处理网络读写事件
ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_events);


由上述代码可知,Nginx解决惊群的方法:
  • 将连接事件与读写事件进行分离。连接事件存放为ngx_posted_accept_events,读写事件存放为ngx_posted_events。
  • 设置ngx_accept_mutex锁,只有获得锁的进程,才可以处理连接事件。


负载均衡

Worker间的负载关键在于各自接入了多少连接,其中接入连接抢锁的前置条件是ngx_accept_disabled > 0,所以ngx_accept_disabled就是负载均衡机制实现的关键阈值。
ngx_int_t             ngx_accept_disabled;
ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n / 8 - ngx_cycle->free_connection_n;

因此,在Nginx启动时,ngx_accept_disabled的值就是一个负数,其值为连接总数的7/8。当该进程的连接数达到总连接数的7/8时,该进程就不会再处理新的连接了。

同时每次调用'ngx_process_events_and_timers'时,将ngx_accept_disabled减1,直到其值低于阈值时,才试图重新处理新的连接。

因此,nginx各worker子进程间的负载均衡仅在某个worker进程处理的连接数达到它最大处理总数的7/8时才会触发,其负载均衡并不是在任意条件都满足。如下图所示:
8.png

其中'pid'为1211的进程为master进程,其余为worker进程。

思考

为什么不采用多线程模型管理连接?

  • 无状态服务,无需共享进程内存
  • 采用独立的进程,可以让互相之间不会影响。一个进程异常崩溃,其他进程的服务不会中断,提升了架构的可靠性。
  • 进程之间不共享资源,不需要加锁,所以省掉了锁带来的开销。


为什么不采用多线程处理逻辑业务?

  • 进程数已经等于核心数,再新建线程处理任务,只会抢占现有进程,增加切换代价。
  • 作为接入层,基本上都是数据转发业务,网络IO任务的等待耗时部分,已经被处理为非阻塞/全异步/事件驱动模式,在没有更多CPU的情况下,再利用多线程处理,意义不大。并且如果进程中有阻塞的处理逻辑,应该由各个业务进行解决,比如openResty中利用了Lua协程,对阻塞业务进行了优化。


原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/o_OlJJdUz-t7znqXvIXwqg

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