Nginx事件处理(epoll)

事 件处理是Nginx处理请求的核心，每个子进程在ngx_worker_process_cycle()的循环里不断调用 ngx_process_events_and_timers()函数来处理各种事件。下面，分析使用epoll机制下（Linux最常用支持大并发的事 件触发机制）Nginx事件处理的过程，用源代码分析和debug信息追踪两种方法。

 

我们从ngx_worker_process_cycle()函数(即工作进程处理请求的循环)切入：

 

static void ngx_worker_process_cycle(ngx_cycle_t *cycle, void *data)
{
    /*...*/
    //第一部分：初始化
    ngx_worker_process_init(cycle, 1);
    /*...*/
    for ( ;; ) {
        /*...*/
        //第二部分：处理事件
        ngx_process_events_and_timers(cycle);
        /*...*/
    }
    /*...*/
}

 

 

//第一部分：初始化
static void ngx_worker_process_init(ngx_cycle_t *cycle, ngx_uint_t priority)
{
    //配置一些环境变量
    //...
    //设置uid，groupid等
    //...
    //如果有设置CPU affinity
    //...
    //换到当前工作的目录下
    //...
    //清空所有的信号
    //...
    //清掉监听socket上以前的事件
    //...

    //调用所有模块的init_process钩子函数
    //所有模块-->每个子进程可以调用这些模块的功能
    //init_process
    for (i = 0; ngx_modules[i]; i++) {
        if (ngx_modules[i]->init_process) {
            //如果是event module: ngx_event_process_init()被调用
            if (ngx_modules[i]->init_process(cycle) == NGX_ERROR) {
                exit(2);
            }
        }
    }
    //将其他进程的channel[1]关闭，自己的除外
    //子进程继承了父进程的ngx_processes数组，但子进程只监听自己的channel[1]
    //...
    //将自己的channel[0]关闭
    //因为自己的channel[0]是给其他子进程，用来发送消息的sendmsg
    //...
    //调用ngx_add_channel_event()函数，给ngx_channel注册一个读事件处理函数。
    //在ngx_start_worker_processes()函数中，ngx_channel = ngx_processes[s].channel[1];
    //ngx_channel就是进程自身的channel[1]，用来读取的socket
    //ngx_channel_handler处理从channel中收到的信号，当事件触发时，调用这个方法
    if (ngx_add_channel_event(cycle, ngx_channel, NGX_READ_EVENT, ngx_channel_handler) == NGX_ERROR)
    {
        exit(2);
    }
}

 

 

每个模块(module)都有一个全局的ngx_module_t结构变量，在 worker process被创建(fork)以后，在ngx_worker_process_init()内调用到每个模块的init_process钩子。其中 ngx_event_core_module的 init_process钩子指向的是ngx_event_process_init()函数，这个函数是这样的：

 

static ngx_int_t ngx_event_process_init(ngx_cycle_t *cycle)
{
    /*...*/

    for (m = 0; ngx_modules[m]; m++) {
        //只有ngx_event_core_module和ngx_epoll_module是NGX_EVENT_MODULE类型的
        if (ngx_modules[m]->type != NGX_EVENT_MODULE) {
            continue;
        }
        if (ngx_modules[m]->ctx_index != ecf->use) {
            continue;
        }
        //获取模块上下文
        module = ngx_modules[m]->ctx;
        //初始化模块
        //ngx_epoll_module(类型ngx_module_t)是全局的结构变量，在初始化的时候由ngx_epoll_module_ctx传入参数，而init函数也在这个时候确定
        //如epoll就是ngx_epoll_init
        if (module->actions.init(cycle, ngx_timer_resolution) != NGX_OK) {
            exit(2);
        }
        break;
    }

    /*...*/

    /*=========初始化connections=========*/

    //分配connection_n个空间给connections
    cycle->connections = ngx_alloc(sizeof(ngx_connection_t) * cycle->connection_n, cycle->log);
    c = cycle->connections;
    //分配connection_n个空间给read_events和write_events,初始化这些read_events和write_events
    cycle->read_events = ngx_alloc(sizeof(ngx_event_t) * cycle->connection_n, cycle->log);
    rev = cycle->read_events;
    for (i = 0; i < cycle->connection_n; i++) {
        rev[i].closed = 1;
        rev[i].instance = 1;
        /*不考虑线程*/
    }
    cycle->write_events = ngx_alloc(sizeof(ngx_event_t) * cycle->connection_n, cycle->log);
    wev = cycle->write_events;
    for (i = 0; i < cycle->connection_n; i++) {
        wev[i].closed = 1;
        /*不考虑线程*/
    }

    //把connection和read_event，write_event联系起来，每个connection都指向一个read_event和write_event
    i = cycle->connection_n;
    next = NULL;
    do {
        //把connection链接起来
        i--;
        c[i].data = next;
        c[i].read = &cycle->read_events[i];
        c[i].write = &cycle->write_events[i];
        c[i].fd = (ngx_socket_t) -1;
        next = &c[i];
        /*不考虑线程*/
    } while (i);

    //free_connections指向connections的头
    cycle->free_connections = next;
    //初始化free connection的数目
    cycle->free_connection_n = cycle->connection_n;

    /* for each listening socket */
    ls = cycle->listening.elts;
    for (i = 0; i < cycle->listening.nelts; i++) {
        c = ngx_get_connection(ls[i].fd, cycle->log);//获取一个空闲的connection，并设置其file descriptor
        c->log = &ls[i].log;
        c->listening = &ls[i];//获取ngx_listening_s结构
        ls[i].connection = c; //设置ngx_listening_s.connection
        rev = c->read;
        rev->log = c->log;
        rev->accept = 1;      //接受请求

        /*...*/

        //设置c->read的handler为ngx_event_accept
        rev->handler = ngx_event_accept;
        if (ngx_use_accept_mutex) {
            continue;
        }
        if (ngx_event_flags & NGX_USE_RTSIG_EVENT) {
            if (ngx_add_conn(c) == NGX_ERROR) {
                return NGX_ERROR;
            }
        }
        else {
            if (ngx_add_event(rev, NGX_READ_EVENT, 0) == NGX_ERROR) {
                return NGX_ERROR;
            }
        }
    }
}

 

 

在上面的函数里，如果我们使用了epoll，那么epoll模块的ngx_epoll_init()函数就会被调用，而这个函数中最重要的就是

 

ngx_event_actions = ngx_epoll_module_ctx.actions

 

 

在工作进程的for循环中用来处理事件的ngx_process_events_and_timers()中，每次调用ngx_process_events()的时候，其实就是调用 ngx_epoll_module_ctx.actions里面的ngx_epoll_process_events()。

 

 

//第二部分：处理事件
//被循环调用
//先接收连接(并不处理事件)，以及处理进程间信号(如有)
//处理accept queue和event queue里面的事件
void ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle)
{

    //如果使用了accept mutex
    //nginx uses accept mutex to serialize accept() syscalls
    //多进程需要使用mutex
    if (ngx_use_accept_mutex) {
        //空闲连接数过少
        if (ngx_accept_disabled > 0) {
            ngx_accept_disabled--;
        }
        else {
            //调用ngx_trylock_accept_mutex()试着给cycle上锁，并把ngx_accept_mutex_held设为1
            //如果成功获得lock，将调用ngx_enable_accept_events()
            //ngx_enable_accept_events()中会调用ngx_add_event()/ngx_add_conn()
            //即，获得lock的worker process才会添加一个“接受请求”的事件
            if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {
                return;
            }
            //ngx_accept_mutex_held表示当前是否已经持有锁
            //如果持有的话，就把flags添加NGX_POST_EVENTS，这样表明可以去accept请求
            //如果不持有，就去处理其他事件，在ngx_epoll_process_events里会调用
            //rev/wev->handler()
            if (ngx_accept_mutex_held) {
                flags |= NGX_POST_EVENTS;
            }
            else {
                if (timer == NGX_TIMER_INFINITE ||
                    timer > ngx_accept_mutex_delay) {
                    //ngx_accept_mutex_delay 当获得锁失败后，再次去请求锁的间隔时间
                    timer = ngx_accept_mutex_delay;
                }
            }
        }
    }

        //#define ngx_process_events   ngx_event_actions.process_events
    //In epoll, ngx_event_actions = ngx_epoll_module_ctx.actions;
    //全局变量ngx_epoll_module_ctx(类型ngx_event_module_t)，内有actions(类型ngx_event_actions_t)，定义process_events钩子
    //钩子调用epoll的ngx_epoll_process_events()
    (void) ngx_process_events(cycle, timer, flags);

    delta = ngx_current_msec - delta;//计算process所用时间

    //ngx_posted_accept_events队列不为空-->有accept事件发生，就去处理
    //accept事件，其实最后就是调用accept函数接收新的连接
    //rev->handler = ngx_event_accept在ngx_event_process_init里面设置
    if (ngx_posted_accept_events) {
        ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_accept_events);
    }

    //已经处理完接收新连接的事件了，如果前面获取到了accept锁，那就解锁
    if (ngx_accept_mutex_held) {
        ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
    }

    if (delta) {
        ngx_event_expire_timers();
    }

    //除了accept事件之外的其他事件放在这个队列中，如果队列不为空，就去处理相关的事件
    if (ngx_posted_events) {
        //一般不用线程来处理
        if (ngx_threaded) {
            ngx_wakeup_worker_thread(cycle);
        } else {
            ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_events);
        }
    }
}

 

 

说到这里不得不提一下一个很重要的结构ngx_module_t，这里面定义了一些非常重要的函数钩子：

 

struct ngx_module_s {
    //ctx_index是分类的模块计数器，nginx的模块可以分为四种：core、event、http和
    //mail，每一种的模块又会各自计数一下，这个ctx_index就是每个模块在其所属类组的计数值

    ngx_uint_t            ctx_index;

    //index是一个模块计数器，按照每个模块在ngx_modules[]数组中的声明顺序
    //（见objs/ngx_modules.c），从0开始依次给每个模块进行编号
    ngx_uint_t            index;

    /*...*/
    ngx_uint_t            version;

    //ctx是模块的上下文，不同种类的模块有不同的上下文，四类模块就有四种模块上下文，实现为四个不同的结构体，所以ctx是void *
    void                 *ctx;

    //commands 是模块的指令集，nginx的每个模块都可以实现一些自定义的指令，这些指令
    //写在配置文件的适当配置项中，每一个指令在源码中对应着一个 ngx_command_t结构的
    //变量，nginx会从配置文件中把模块的指令读取出来放到模块的commands指令数组中，
    //这些指令一般是把配置项的 参数值赋给一些程序中的变量或者是在不同的变量之间合并或
    //转换数据（例如include指令），指令可以带参数也可以不带参数，你可以把这些指令想象
    //为 unix的命令行或者是一种模板语言的指令。
    ngx_command_t        *commands;

    //type就是模块的种类，前面已经说过，nginx模块分为core、event、http和mail四类，type用宏定义标识四个分类。
    ngx_uint_t            type;

    //init_master、 init_module、init_process、init_thread、exit_thread、
    //exit_process、 exit_master是函数指针，指向模块实现的自定义回调函数，
    //这些回调函数分别在初始化master、初始化模块、初始化工作进程、初始化线程、
    //退出线程、退出工作进程和退出master的时候被调用，如果模块需要在这些时机做处理，
    //就可以实现对应的函数，并把它赋值给对应的函数指针来注册一个回调 函数接口
    ngx_int_t           (*init_master)(ngx_log_t *log);
    ngx_int_t           (*init_module)(ngx_cycle_t *cycle);
    ngx_int_t           (*init_process)(ngx_cycle_t *cycle);
    ngx_int_t           (*init_thread)(ngx_cycle_t *cycle);
    void                (*exit_thread)(ngx_cycle_t *cycle);
    void                (*exit_process)(ngx_cycle_t *cycle);
    void                (*exit_master)(ngx_cycle_t *cycle);

    /*...*/

};

 

 

//epoll处理事件的函数
static ngx_int_t ngx_epoll_process_events(ngx_cycle_t *cycle, ngx_msec_t timer, ngx_uint_t flags)
{

    //得到发生的事件表event_list
    events = epoll_wait(ep, event_list, (int) nevents, timer);

    if (flags & NGX_UPDATE_TIME || ngx_event_timer_alarm) {
        ngx_time_update();
    }

    //上锁ngx_posted_events_mutex
    //ngx_posted_events_mutex只有在NGX_THREAD宏定义有效时才有效
    ngx_mutex_lock(ngx_posted_events_mutex);

    for (i = 0; i < events; i++) {
        //获取事件的connection
        c = event_list[i].data.ptr;
        instance = (uintptr_t) c & 1;
        c = (ngx_connection_t *) ((uintptr_t) c & (uintptr_t) ~1);
        rev = c->read;

        revents = event_list[i].events;

        if ((revents & (EPOLLERR|EPOLLHUP)) &&
           (revents & (EPOLLIN|EPOLLOUT)) == 0) {
        /*
        * if the error events were returned without EPOLLIN or EPOLLOUT,
        * then add these flags to handle the events at least in one active handler
        */
            revents |= EPOLLIN|EPOLLOUT;
        }

        //default rev->active is 1
        if ((revents & EPOLLIN) && rev->active) {
            if ((flags & NGX_POST_THREAD_EVENTS) && !rev->accept) {
                rev->posted_ready = 1;
            }
        }
        else {
            rev->ready = 1;
        }
        if (flags & NGX_POST_EVENTS) {
        //如果是新的连接，accept就会被设为1；accept()之后还没有断开(timeout)，accept就是0
        //这个步骤不处理连接，只是把连接放在queue(ngx_posted_accept_events或者ngx_posted_events)里面
            queue = (ngx_event_t **) (rev->accept ? &ngx_posted_accept_events : &ngx_posted_events);
            ngx_locked_post_event(rev, queue);
        }
        else {
            rev->handler(rev);
        }

        wev = c->write;
        if ((revents & EPOLLOUT) && wev->active) {
            if (flags & NGX_POST_THREAD_EVENTS) {
            wev->posted_ready = 1;
        }
        else {
            wev->ready = 1;
        }
        if (flags & NGX_POST_EVENTS) {
            ngx_locked_post_event(wev, &ngx_posted_events);
        }
        else {
            wev->handler(wev);
        }
    }
    //解锁
    ngx_mutex_unlock(ngx_posted_events_mutex);
    return NGX_OK;
}

 

 

//Debug追踪

下面，以单进程和多进程处理一个http请求为例，分析 一下事件处理的流程。我用nginx里面已有的ngx_log_debugX()来插入事件处理的主要函数 ngx_epoll_process_events()和ngx_event_process_posted()。在编译的时候，需要加 上"--with-debug"参数。并指定nginx.conf里面的"error_log   logs/debug.log  debug_core | debug_event | debug_http;"。重新启动nginx。

 

单进程(work_processes 1)：

1. 在初始化即ngx_worker_process_init()中调用两次ngx_epoll_add_event()。第一次是在 ngx_event_process_init()里面，即给每个监听的端口(在我的例子里只监听80端口)添加一个NGX_READ_EVENT事件； 第二次是ngx_add_channel_event()，即给进程间通行的socketpair添加 NGX_READ_EVENT事件。

2. 不断调用ngx_epoll_process_events()函数，探测监听的事件是否发生。如果此时有一个http请求进来，就会触发epoll的事件。由于之前每个监听的端口已经设置handler是ngx_event_accept()，这样，就会在 ngx_epoll_process_events()里面调用rev->handler(rev)，即调用 ngx_event_accept()。 在这个函数里，accept()被调用，即接收请求并为其分配一个新的连接，初始化这个新连接，并调用listening socket的handler，即ls->handler(c)。因为ls->handler在http_block()（读取配置之后）里 面已经设置了(ls->handler = ngx_http_init_connection;)，那么就会调用ngx_http_init_connection()。而在这个函数里，又会添加 一个读事件，并设置其处理钩子是ngx_http_init_request()。

3. epoll触发新的事件调用 ngx_http_init_request()，并继续http请求处理的每一个环节。(如process request line，process headers，各个phase等)

4. 最后client关闭了连接(我用的是Linux下的curl)。调用了ngx_http_finalize_request() => ngx_http_finalize_connection() => ngx_http_set_keepalive()。 ngx_http_set_keepalive() 函数设置事件的处理函数是ngx_http_keepalive_handler()，并调用ngx_post_event()把它添加到 ngx_posted_events队列里。然后ngx_event_process_posted()函数就会一一处理并删除队列里所有的事件。在 ngx_http_keepalive_handler() 函数里，调用ngx_http_close_connection() => ngx_close_connection() => ngx_del_conn(c,NGX_CLOSE_EVENT)。ngx_del_conn()即 ngx_epoll_del_connection()，即把这个处理请求的connection从epoll监听的事件列表中删除。

 

 

多进程(我设置了work_processes 2)：和单进程不同，单进程设置epoll timer为-1，即没有事件就一直阻塞在那里，直到监听的端口收到请求。而多进程则不同，每个进程会设置一个epoll_wait()的 timeout，去轮番尝试获取在监听端口接受请求的权利，如果没有事件就去处理其它的事件，如果获得了就阻塞( *直到有任意事件发生)

1. 在ngx_event_process_init()里面，只会调用 ngx_add_channel_event() 给进程间通信的socketpair添加事件，而不给http监听的端口添加事件(为了保证不会有多个工作进程来同时接受请求)。而每个进程被 fork()之后，父进程(master process)都会调用ngx_pass_open_channel() => ngx_write_channel()  => sendmsg()来通知所有已经存在的进程(这会触发接收方的事件，调用ngx_channel_handler()函数)

2. 在ngx_process_events_and_timers()里，用一个锁来同步所有的进程 ngx_trylock_accept_mutex()，并只有一个进程能够得到ngx_accept_mutex这个锁。得到这个锁的进程会调用 ngx_enable_accept_events()添加一个监听端口的事件。

3. 在ngx_epoll_process_events()里，调用了ngx_locked_post_event()添加了一个读事件到accept queue(即ngx_posted_accept_events)，然后在ngx_event_process_posted()里面处理，即调用 ngx_event_accept()，并添加一个读事件(后面和单进程是一样的)。在处理完ngx_posted_accept_events队列里面的所有accept事件之后，ngx_accept_mutex这个锁也会被释放，即把接受请求的权利让给其它的进程。

 

*在多进程的模式下，每当有新的子进程启动的时候，父进程(master process)都会向其余所有进程的socketpair channel广播新的子进程的channel。这样，就会导致之前获取监听端口权限(即ngx_accept_mutex)的进程触发epoll事件， 从而释放ngx_accept_mutex，虽然这个是发生在初始化阶段(之后子进程间一般不通信)，一般不会产生两个或多个进程同时在epoll添加监 听端口事件的情况。但是在理论上，这样的设计可能会导致系统的bug(比如有人通过给子进程发送信号的办法来实现一些特殊的功能时，就有可能让其中一个进 程放弃ngx_accept_mutex，而另外某一个进程在之后先于它再次获取到ngx_accept_mutex)。