Apache和Nginx是什么?|Nginx和Reactor是什么?|网路IO的本质|阻塞队列|异步非阻塞IO

前言

那么这里博主先安利一些干货满满的专栏了!

首先是博主的高质量博客的汇总,这个专栏里面的博客,都是博主最最用心写的一部分,干货满满,希望对大家有帮助。

高质量干货博客汇总https://blog.csdn.net/yu_cblog/category_12379430.html?spm=1001.2014.3001.5482


前期概念准备

首先,想要搞明白Nginx和Apache,我们首先要对网络IO的相关概念做了解,这是非常重要的。什么是阻塞IO,什么是非阻塞IO,什么是异步IO,什么是多路转接,什么是reactor模式,这些大家都要先搞清楚,本期博客的内容,大家才能明白。

因此对于上面这些内容,博主做了详细的解释和讲解,在上一篇博客中,如果对网络IO相关概念还不了解的伙伴们,先看完上一篇,再来学习这一篇

什么是IO?IO的本质?|如何让IO变得高效?何为高效?|异步IO|多路转接|reactor模式https://blog.csdn.net/Yu_Cblog/article/details/131778346?spm=1001.2014.3001.5501

Apache和Nginx

Apache HTTP服务器的底层原理

Apache HTTP服务器采用了经典的多进程/多线程模型。它的主要组件包括主进程/线程(Master Process/thread)和工作进程线程(Worker Process/thread)。当Apache启动时,主进程首先被创建,并监听指定的端口,等待客户端连接。当有新的连接请求到达时,主进程接受该连接并将其分派给一个可用的工作进程。

通俗来说,就是多线程或者多进程,当然一般是用线程的,因为线程占用cpu资源少。其实就是一个主线程,在统一管理一些新线程。服务器启动,一个主线程被创建,如果底层来链接了,则创建一个新线程,调用accept,则这个新线程专门用于处理这一个特定的链接,直到链接关闭。来一个链接,主线程就创建一个新线程,本质就是用新线程去接任务的道理。当然这种方案是可以优化的,一般会做一个线程池去完成这些事情,先创建好一堆线程,然后来链接了,则一个线程去领任务,如果线程池线程不够了,可以选择创建,或者阻塞等其他线程释放。

那么这种方法问题在哪呢?如果一个链接来了,是一个长链接,我赖着不走,也不给你发消息,那你这领任务线程咋办?就只能被这个占着坑位不干活的链接吊着,既不能释放,也不能工作。如果这样的长链接很多,这是非常吃CPU资源的!

Nginx的底层原理

Nginx采用了事件驱动的、异步的单进程模型。它的底层结构由多个模块组成,包括事件模块、HTTP模块、反向代理模块等。

核心组件是事件模块,它利用操作系统提供的异步I/O机制(如epoll、kqueue)来实现高效的事件处理。Nginx的主进程是一个事件驱动的Reactor,通过事件循环(Event Loop)监听和接受客户端连接。当有新的连接到达时,主进程会将连接分发给一个可用的工作进程。

工作进程(Worker Process)是Nginx实际处理请求的执行者。每个工作进程都是独立的,并且在多个连接间共享相同的事件循环。工作进程通过事件驱动的方式处理请求,包括读取请求、解析请求头、处理请求逻辑、生成响应等。在处理请求的过程中,Nginx使用非阻塞I/O操作,充分利用异步I/O机制来提高并发处理能力。

reactor(用linux下的epoll为例)

其中reactor就是Nginx的核心构件,我直接举一个例子解释,什么是事件循环,什么是监听这些东西。直接举例子,大家就明白了。对于一个HTTP请求而言:

对于一个服务器,肯定有一个监听套接字listensock。当服务器开启之后,肯定会有其他地方来的许多链接,想和我们这个服务器三次握手,因此我们有连接来了,应该去accept对吧?但是现在在epoll多路转接模式下,不能直接让listensock去accept!为什么,因为我不知道什么时候来链接啊,如果链接没来,我调用accept不就阻塞了?因此,我们应该把listensock放到epoll里面去注册!!然后直接返回,不用阻塞!注册好之后,如果链接来了,也就是说listensock套接字(套接字的本质就是文件描述符,这些基本的概念博主也不赘述了)的读事件就绪了!epoll就会通知我!我此时再去accept,此时是一定不会被阻塞了!因为epoll告诉我,listensock的读事件已经就绪了!

那么我们知道accept之后的套接字,也就是普通套接字,可能会给我们发消息的,那么按照之前的方法,直接调用read行吗?肯定是不行的!没消息来你read什么,没消息你read不就阻塞了?epoll里面不能有这么低级的操作。因此,同样,注册到epoll里面去!啥时候来消息了,epoll告诉你,你就不用管了,直接返回。

整个过程将一个请求分成了多个阶段,每个阶段都会在许多模块中注册并进行处理,而且所有的操作都是异步非阻塞的。异步在这里表示服务器执行一个任务后无需等待返回结果,而是在完成后自动接收通知。

整个过程是单进程单线程的,但是高并发!长链接来了我不怕啊,你只是注册在epoll里面,你不来消息,我就不在你身上花时间(调用read),因此这种方式非常的高效!!!!!这种方式使得服务器能够高效处理多个并发请求,并能在等待I/O操作期间执行其他任务,以提高整体性能。

epoll的底层是什么?相比于select和poll的优势在哪?这些可以看博主在github上关于多路转接的一个项目,里面说的非常的清晰了!

Multiplexing-high-performance-IO-serverhttps://github.com/Yufccode/Multiplexing-high-performance-IO-server

reactor只有epoll吗?

Reactor模式是一种设计模式,用于构建事件驱动的应用程序。在Reactor模式中,有一个事件循环(Event Loop)负责监听事件并调度对应的处理程序。具体的底层实现可以采用多种技术和系统调用,其中epoll是Linux系统下常用的事件通知机制之一。

在Linux系统中,epoll提供了高效的I/O事件通知机制,使得服务器能够处理大量的并发连接。因此,很多Reactor模式的实现会选择使用epoll作为底层的事件通知机制,以实现高性能的事件驱动。

然而,Reactor模式的底层实现并不仅限于epoll,它也可以使用其他的事件通知机制,如select、poll等,或者在其他操作系统上使用相应的机制,如kqueue(在FreeBSD和Mac OS X上)或IOCP(在Windows上)。

因此,Reactor模式并不依赖于特定的底层实现,而是关注于事件驱动的设计思想和模式。具体的底层实现取决于操作系统和开发者选择的事件通知机制。

Nginx的一些其他功能

此外,Nginx还提供了强大的模块化架构,用户可以根据需求选择和配置不同的模块。Nginx的模块可以实现诸如负载均衡、缓存、反向代理、SSL/TLS加密等功能。模块可以通过配置文件进行加载和配置,使得Nginx具有很高的灵活性和可扩展性。

一个基于Reactor模型的Http服务器

最近博主就在做一个这样的http服务器,基于Reactor异步IO,底层多路转接的方式实现的,可以达到高效率的要求。

现在这个项目的后端已经基本完善了,现在还在完善一些细节,希望大家多多支持这个项目~~

Reactor-based-HyperWebServerhttps://github.com/Yufccode/Reactor-based-HyperWebServer

总结

无论是Nginx还是Squid等反向代理服务器,它们都采用了事件驱动的网络模式。事件驱动实际上是一项古老的技术,早期使用的是select和poll等机制。随后,基于内核通知的更高级事件机制出现,例如libevent中的epoll,这提高了事件驱动的性能。事件驱动的核心仍然是I/O事件,应用程序能够快速切换在多个I/O句柄之间,实现所谓的异步I/O。事件驱动服务器非常适合处理I/O密集型任务,例如反向代理,它充当客户端和Web服务器之间的数据中转站,仅涉及纯粹的I/O操作,而不涉及复杂的计算。使用事件驱动来构建反向代理是更好的选择,一个工作进程即可运行,无需管理进程和线程带来的开销,同时CPU和内存消耗也较小。

因此,Nginx和Squid等服务器都是采用这种方式实现的。当然,Nginx也可以采用多进程加事件驱动的模式,几个进程运行libevent,而无需像Apache那样需要数百个进程。Nginx在处理静态文件时也表现出色,这是因为静态文件本身也属于磁盘I/O操作,处理方式相同。至于所谓的数万并发连接,这并没有多大意义。随手编写一个网络程序就可以处理数万个并发连接,但如果大多数客户端都被阻塞在某处,那就没有多少价值了。

再来看看像Apache或Resin这样的应用服务器,它们之所以被称为应用服务器,是因为它们需要运行具体的业务应用程序,如科学计算、图形图像处理、数据库读写等。它们很可能是CPU密集型的服务,而事件驱动并不适合此类情况。举个例子,如果某项计算需要2秒的耗时,那么这2秒将完全阻塞进程,事件机制毫无作用。想象一下,如果MySQL改用事件驱动,一个大型的join或sort操作将阻塞所有客户端。在这种情况下,多进程或多线程展现出优势,每个进程可以独立地执行任务,彼此不会阻塞或干扰。当然,现代CPU速度越来越快,单个计算的阻塞时间可能很短,但只要存在阻塞,事件编程就不具备优势。因此,进程和线程等技术不会消失,而是与事件机制相辅相成,并将长期存在。

总而言之,事件驱动适用于I/O密集型服务,而多进程或多线程适用于CPU密集型服务。它们各自具有优势,并不存在取代彼此的趋势。

本段文字参考:

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