nginx工作原理详解

      整理一下Nginx相关知识。我主要主要参考了《Nginx开发从入门到精通》(http://tengine.taobao.org/book/index.html)和http://tool.oschina.net/apidocs/apidoc?api=nginx-zh

 

Nginx的模块

Nginx由内核和模块组成。

Nginx的模块从结构上分为核心模块、基础模块和第三方模块：

核心模块：HTTP模块、EVENT模块和MAIL模块

基础模块：HTTP Access模块、HTTP FastCGI模块、HTTP Proxy模块和HTTP Rewrite模块，

第三方模块：HTTP Upstream Request Hash模块、Notice模块和HTTP Access Key模块。

用户根据自己的需要开发的模块都属于第三方模块。正是有了这么多模块的支撑，Nginx的功能才会如此强大。

Nginx的模块从功能上分为如下三类。

Handlers（处理器模块）。此类模块直接处理请求，并进行输出内容和修改headers信息等操作。Handlers处理器模块一般只能有一个。

Filters （过滤器模块）。此类模块主要对其他处理器模块输出的内容进行修改操作，最后由Nginx输出。

Proxies （代理类模块）。此类模块是Nginx的HTTP Upstream之类的模块，这些模块主要与后端一些服务比如FastCGI等进行交互，实现服务代理和负载均衡等功能。

Nginx模块常规的HTTP请求和响应的过程。

Nginx本身做的工作实际很少，当它接到一个HTTP请求时，它仅仅是通过查找配置文件将此次请求映射到一个location block，而此location中所配置的各个指令则会启动不同的模块去完成工作，因此模块可以看做Nginx真正的劳动工作者。通常一个location中的指令会涉及一个handler模块和多个filter模块（当然，多个location可以复用同一个模块）。handler模块负责处理请求，完成响应内容的生成，而filter模块对响应内容进行处理。

Nginx负载均衡

1.upstream 负载均衡模块说明

upstream是Nginx的HTTP Upstream模块，这个模块通过一个简单的调度算法来实现客户端IP到后端服务器的负载均衡。在下面示例的设定中，通过upstream指令指定了一个负载均衡器的名称a.com。这个名称可以任意指定，在后面需要用到的地方直接调用即可。

案例：

下面设定负载均衡的服务器列表。

upstream a.com{

ip_hash;

server 192.168.10.13:80;

server 192.168.10.14:80  down;

server 192.168.10.15:8009  max_fails=3  fail_timeout=20s;

server 192.168.10.16:8080;

}

server {

location / {

proxy_pass  http://a.com;

}

}

upstream是定义在server{ }之外的，不能定义在server{ }内部。定义好upstream之后，用proxy_pass引用一下即可。 

2.upstream 支持的负载均衡算法

Nginx的负载均衡模块目前支持4种调度算法，下面进行分别介绍，其中后两项属于第三方调度算法。  

轮询（默认）。每个请求按时间顺序逐一分配到不同的后端服务器，如果后端某台服务器宕机，故障系统被自动剔除，使用户访问不受影响。Weight 指定轮询权值，Weight值越大，分配到的访问机率越高，主要用于后端每个服务器性能不均的情况下。

ip_hash。每个请求按访问IP的hash结果分配，这样来自同一个IP的访客固定访问一个后端服务器，有效解决了动态网页存在的session共享问题。

fair。这是比上面两个更加智能的负载均衡算法。此种算法可以依据页面大小和加载时间长短智能地进行负载均衡，也就是根据后端服务器的响应时间来分配请求，响应时间短的优先分配。Nginx本身是不支持fair的，如果需要使用这种调度算法，必须下载Nginx的upstream_fair模块。

url_hash。此方法按访问url的hash结果来分配请求，使每个url定向到同一个后端服务器，可以进一步提高后端缓存服务器的效率。Nginx本身是不支持url_hash的，如果需要使用这种调度算法，必须安装Nginx 的hash软件包。

3.upstream 支持的状态参数

在HTTP Upstream模块中，可以通过server指令指定后端服务器的IP地址和端口，同时还可以设定每个后端服务器在负载均衡调度中的状态。常用的状态有：      

down，表示当前的server暂时不参与负载均衡。

backup，预留的备份机器。当其他所有的非backup机器出现故障或者忙的时候，才会请求backup机器，因此这台机器的压力最轻。

max_fails，允许请求失败的次数，默认为1。当超过最大次数时，返回proxy_next_upstream 模块定义的错误。

fail_timeout，在经历了max_fails次失败后，暂停服务的时间。max_fails可以和fail_timeout一起使用。

当负载调度算法为ip_hash时，后端服务器在负载均衡调度中的状态不能是weight和backup。

 

 

Nginx进程模型

Nginx默认采用多进程工作方式，Nginx启动后，会运行一个master进程和多个worker进程。其中master充当整个进程组与用户的交互接口，同时对进程进行监护，管理worker进程来实现重启服务、平滑升级、更换日志文件、配置文件实时生效等功能。worker用来处理基本的网络事件，worker之间是平等的，他们共同竞争来处理来自客户端的请求。

nginx的进程模型如图所示：

 

 

请求到来时，如何分配均分worker进程来处理他们？

在创建master进程时，先建立需要监听的socket（listenfd），然后从master进程中fork()出多个worker进程，如此一来每个worker进程多可以监听用户请求的socket。一般来说，当一个连接进来后，所有在Worker都会收到通知，但是只有一个进程可以接受这个连接请求，其它的都失败，这是所谓的惊群现象。nginx提供了一个accept_mutex（互斥锁），有了这把锁之后，同一时刻，就只会有一个进程在accpet连接，这样就不会有惊群问题了。

先打开accept_mutex选项，只有获得了accept_mutex的进程才会去添加accept事件。nginx使用一个叫ngx_accept_disabled的变量来控制是否去竞争accept_mutex锁。ngx_accept_disabled = nginx单进程的所有连接总数 / 8 -空闲连接数量，当ngx_accept_disabled大于0时，不会去尝试获取accept_mutex锁，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，每个worker进程的连接数就控制下来了，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。

每个worker进程都有一个独立的连接池，连接池的大小是worker_connections。这里的连接池里面保存的其实不是真实的连接，它只是一个worker_connections大小的一个ngx_connection_t结构的数组。并且，nginx会通过一个链表free_connections来保存所有的空闲ngx_connection_t，每次获取一个连接时，就从空闲连接链表中获取一个，用完后，再放回空闲连接链表里面。一个nginx能建立的最大连接数，应该是worker_connections * worker_processes。当然，这里说的是最大连接数，对于HTTP请求本地资源来说，能够支持的最大并发数量是worker_connections * worker_processes，而如果是HTTP作为反向代理来说，最大并发数量应该是worker_connections * worker_processes/2。因为作为反向代理服务器，每个并发会建立与客户端的连接和与后端服务的连接，会占用两个连接。

示例代码：

ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n / 8

    - ngx_cycle->free_connection_n;

 

if (ngx_accept_disabled > 0) {

    ngx_accept_disabled--;

 

} else {

    if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {

        return;

    }

 

    if (ngx_accept_mutex_held) {

        flags |= NGX_POST_EVENTS;

 

    } else {

        if (timer == NGX_TIMER_INFINITE

                || timer > ngx_accept_mutex_delay)

        {

            timer = ngx_accept_mutex_delay;

        }

    }

}

 

 

Nginx事件模型

对于一个基本的web服务器来说，事件通常有三种类型，网络事件、信号的处理。

Nginx每个worker里面只有一个主线程，多少个worker就能处理多少个并发，何来高并发呢？

请求流程：首先，请求到来，要建立连接，然后再接收数据，接收数据后，再发送数据。具体到系统底层，就是读写事件，而当读写事件没有准备好时，不可操作。

apache的常用工作方式：每个请求会独占一个工作线程，当并发数上到几千时，就同时有几千的线程在处理请求了。这对操作系统来说，是个不小的挑战，线程带来的内存占用非常大，线程的上下文切换带来的cpu开销很大，自然性能就上不去了，而这些开销完全是没有意义的。

Nginx采用异步非阻塞的方式来支持用户请求。

Nginx支持select/poll/epoll/kqueue等事件模型。拿epoll为例，当事件没准备好时，放到epoll里面，事件准备好了，我们就去读写，当读写返回EAGAIN时，我们将它再次加入到epoll里面。这样，只要有事件准备好了，我们就去处理它，当事件都没有完全准备好时，就在epoll里面等着。这样，我们就可以并发处理大量的并发了，当然，这里的并发请求，是指未处理完的请求，线程只有一个，所以同时能处理的请求当然只有一个了，只是在请求间进行不断地切换而已，切换也是因为异步事件未准备好，而主动让出的。这里的切换是没有任何代价，你可以理解为循环处理多个准备好的事件，事实上就是这样的。与多线程相比，这种事件处理方式是有很大的优势的，不需要创建线程，每个请求占用的内存也很少，没有上下文切换，事件处理非常的轻量级。并发数再多也不会导致无谓的资源浪费（上下文切换），更多的并发数，只是会占用更多的内存而已。 现在的网络服务器基本都采用这种方式，这也是nginx性能高效的主要原因。

推荐设置worker的个数为cpu的核数，因为更多的worker数，只会导致进程来竞争cpu资源了，从而带来不必要的上下文切换。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。

 

Nginx信号

对nginx来说，有一些特定的信号，代表着特定的意义。信号会中断掉程序当前的运行，在改变状态后，继续执行。如果是系统调用，则可能会导致系统调用的失败，需要重新进行一次。如果nginx正在等待事件（epoll_wait时），如果程序收到信号，在信号处理函数处理完后，epoll_wait会返回错误，然后程序可再次进入epoll_wait调用。

Nginx定时器

由于epoll_wait等函数在调用的时候是可以设置一个超时时间的，所以nginx借助这个超时时间来实现定时器。nginx里面的定时器事件是放在一颗维护定时器的红黑树里面，每次在进入epoll_wait前，先从该红黑树里面拿到所有定时器事件的最小时间，在计算出epoll_wait的超时时间后进入epoll_wait。所以，当没有事件产生，也没有中断信号时，epoll_wait会超时，也就是说，定时器事件到了。这时，nginx会检查所有的超时事件，将他们的状态设置为超时，然后再去处理网络事件。由此可以看出，当我们写nginx代码时，在处理网络事件的回调函数时，通常做的第一个事情就是判断超时，然后再去处理网络事件。

nginx的事件处理模型代码：

while (true) {

    for t in run_tasks:

        t.handler();

    update_time(&now);

    timeout = ETERNITY;

    for t in wait_tasks: /* sorted already */

        if (t.time <= now) {

            t.timeout_handler();

        } else {

            timeout = t.time - now;

            break;

        }

    nevents = poll_function(events, timeout);

    for i in nevents:

        task t;

        if (events[i].type == READ) {

            t.handler = read_handler;

        } else { /* events[i].type == WRITE */

            t.handler = write_handler;

        }

        run_tasks_add(t);

}

 

Nginx处理HTTP请求流程

http请求是典型的请求-响应类型的的网络协议。http是文件协议，所以我们在分析请求行与请求头，以及输出响应行与响应头，往往是一行一行的进行处理。通常在一个连接建立好后，读取一行数据，分析出请求行中包含的method、uri、http_version信息。然后再一行一行处理请求头，并根据请求method与请求头的信息来决定是否有请求体以及请求体的长度，然后再去读取请求体。得到请求后，我们处理请求产生需要输出的数据，然后再生成响应行，响应头以及响应体。在将响应发送给客户端之后，一个完整的请求就处理完了。

处理流程图：

 

 

Http请求生命周期中的一些概念

Keepalive

     http请求是基于TCP协议之上的，当客户端在发起请求前，需要先与服务端建立TCP连接，而每一次的TCP连接是需要三次握手来确定的，如果客户端与服务端之间网络差一点，这三次交互消费的时间会比较多，而且三次交互也会带来网络流量。（当连接断开后，也会有四次的交互，当然对用户体验来说就不重要了)。而http请求是请求应答式的，如果我们能知道每个请求头与响应体的长度，那么我们是可以在一个连接上面执行多个请求的，这就是所谓的长连接，但前提条件是我们先得确定请求头与响应体的长度。

对于请求来说，如果当前请求需要有body，如POST请求，那么nginx就需要客户端在请求头中指定content-length来表明body的大小，否则返回400错误。也就是说，请求体的长度是确定的，那么响应体的长度呢？先来看看http协议中关于响应body长度的确定：

对于http1.0协议来说，如果响应头中有content-length头，则以content-length的长度就可以知道body的长度了，客户端在接收body时，就可以依照这个长度来接收数据，接收完后，就表示这个请求完成了。而如果没有content-length头，则客户端会一直接收数据，直到服务端主动断开连接，才表示body接收完了。

而对于http1.1协议来说，如果响应头中的Transfer-encoding为chunked传输，则表示body是流式输出，body会被分成多个块，每块的开始会标识出当前块的长度，此时，body不需要通过长度来指定。如果是非chunked传输，而且有content-length，则按照content-length来接收数据。否则，如果是非chunked，并且没有content-length，则客户端接收数据，直到服务端主动断开连接。

从上面，我们可以看到，除了http1.0不带content-length以及http1.1非chunked不带content-length外，body的长度是可知的。此时，当服务端在输出完body之后，会可以考虑使用长连接。能否使用长连接，也是有条件限制的。如果客户端的请求头中的connection为close，则表示客户端需要关掉长连接，如果为keep-alive，则客户端需要打开长连接，如果客户端的请求中没有connection这个头，那么根据协议，如果是http1.0，则默认为close，如果是http1.1，则默认为keep-alive。如果结果为keepalive，那么，nginx在输出完响应体后，会设置当前连接的keepalive属性，然后等待客户端下一次请求。当然，nginx不可能一直等待下去，如果客户端一直不发数据过来，岂不是一直占用这个连接？所以当nginx设置了keepalive等待下一次的请求时，同时也会设置一个最大等待时间，这个时间是通过选项keepalive_timeout来配置的，如果配置为0，则表示关掉keepalive，此时，http版本无论是1.1还是1.0，客户端的connection不管是close还是keepalive，都会强制为close。

如果服务端最后的决定是keepalive打开，那么在响应的http头里面，也会包含有connection头域，其值是”Keep-Alive”，否则就是”Close”。如果connection值为close，那么在nginx响应完数据后，会主动关掉连接。所以，对于请求量比较大的nginx来说，关掉keepalive最后会产生比较多的time-wait状态的socket。一般来说，当客户端的一次访问，需要多次访问同一个server时，打开keepalive的优势非常大，比如图片服务器，通常一个网页会包含很多个图片。打开keepalive也会大量减少time-wait的数量。

pipe

pipeline其实就是流水线作业，它可以看作为keepalive的一种升华，因为pipeline也是基于长连接的，目的就是利用一个连接做多次请求。如果客户端要提交多个请求，对于keepalive来说，那么第二个请求，必须要等到第一个请求的响应接收完全后，才能发起，这和TCP的停止等待协议是一样的，得到两个响应的时间至少为2*RTT。而对pipeline来说，客户端不必等到第一个请求处理完后，就可以马上发起第二个请求。得到两个响应的时间可能能够达到1*RTT。nginx是直接支持pipeline的，但是，nginx对pipeline中的多个请求的处理却不是并行的，依然是一个请求接一个请求的处理，只是在处理第一个请求的时候，客户端就可以发起第二个请求。这样，nginx利用pipeline减少了处理完一个请求后，等待第二个请求的请求头数据的时间。其实nginx的做法很简单，前面说到，nginx在读取数据时，会将读取的数据放到一个buffer里面，所以，如果nginx在处理完前一个请求后，如果发现buffer里面还有数据，就认为剩下的数据是下一个请求的开始，然后就接下来处理下一个请求，否则就设置keepalive。

lingering_close

lingering_close，是延迟关闭，也就是说，当nginx要关闭连接时，并非立即关闭连接，而是先关闭tcp连接的写，再等待一段时间后再关掉连接的读。为什么要这样呢？我们先来看看这样一个场景。nginx在接收客户端的请求时，可能由于客户端或服务端出错了，要立即响应错误信息给客户端，而nginx在响应错误信息后，大分部情况下是需要关闭当前连接。nginx执行完write()系统调用把错误信息发送给客户端，write()系统调用返回成功并不表示数据已经发送到客户端，有可能还在tcp连接的write buffer里。接着如果直接执行close()系统调用关闭tcp连接，内核会首先检查tcp的read buffer里有没有客户端发送过来的数据留在内核态没有被用户态进程读取，如果有则发送给客户端RST报文来关闭tcp连接丢弃write buffer里的数据，如果没有则等待write buffer里的数据发送完毕，然后再经过正常的4次分手报文断开连接。所以,当在某些场景下出现tcp write buffer里的数据在write()系统调用之后到close()系统调用执行之前没有发送完毕，且tcp read buffer里面还有数据没有读，close()系统调用会导致客户端收到RST报文且不会拿到服务端发送过来的错误信息数据。那客户端肯定会想，这服务器好霸道，动不动就reset我的连接，连个错误信息都没有。

在上面这个场景中，我们可以看到，关键点是服务端给客户端发送了RST包，导致自己发送的数据在客户端忽略掉了。所以，解决问题的重点是，让服务端别发RST包。再想想，我们发送RST是因为我们关掉了连接，关掉连接是因为我们不想再处理此连接了，也不会有任何数据产生了。对于全双工的TCP连接来说，我们只需要关掉写就行了，读可以继续进行，我们只需要丢掉读到的任何数据就行了，这样的话，当我们关掉连接后，客户端再发过来的数据，就不会再收到RST了。当然最终我们还是需要关掉这个读端的，所以我们会设置一个超时时间，在这个时间过后，就关掉读，客户端再发送数据来就不管了，作为服务端我会认为，都这么长时间了，发给你的错误信息也应该读到了，再慢就不关我事了，要怪就怪你RP不好了。当然，正常的客户端，在读取到数据后，会关掉连接，此时服务端就会在超时时间内关掉读端。这些正是lingering_close所做的事情。协议栈提供 SO_LINGER 这个选项，它的一种配置情况就是来处理lingering_close的情况的，不过nginx是自己实现的lingering_close。lingering_close存在的意义就是来读取剩下的客户端发来的数据，所以nginx会有一个读超时时间，通过lingering_timeout选项来设置，如果在lingering_timeout时间内还没有收到数据，则直接关掉连接。nginx还支持设置一个总的读取时间，通过lingering_time来设置，这个时间也就是nginx在关闭写之后，保留socket的时间，客户端需要在这个时间内发送完所有的数据，否则nginx在这个时间过后，会直接关掉连接。当然，nginx是支持配置是否打开lingering_close选项的，通过lingering_close选项来配置。 那么，我们在实际应用中，是否应该打开lingering_close呢？这个就没有固定的推荐值了，如Maxim Dounin所说，lingering_close的主要作用是保持更好的客户端兼容性，但是却需要消耗更多的额外资源。