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。
正文
1. Nginx的整体架构
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:
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;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。
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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