从 Nginx 优秀的核心架构设计,揭秘其为何能支持高并发?

目录:1. Nginx的整体架构2. Nginx的模块化设计3. Nginx的请求方式处理4. Nginx事件驱动模型5. Nginx进程处理模型

写在前面

Nginx 是一个 免费的,开源的,高性能的 HTTP 服务器和反向代理。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,也可以用作负载均衡器和 HTTP 缓存 。

很多高知名度的网站都使用 Nginx,比如:Netflix , GitHub , SoundCloud , MaxCDN 等。

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正文

1. Nginx的整体架构

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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

  • 非停升级


因此,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。

如下图所示:

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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,如下图所示:

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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:

  1. 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

  2. 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 ,一个完整的请求就是这样。

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。

如下图所示:

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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

这种交互和 主进程-工作进程 交互基本一致,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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