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1.Nginx 基礎架構

nginx 啟動后以 daemon 形式在后臺運行，后臺進程包含一個 master 進程和多個 worker 進程。如下圖所示：

master與worker

nginx 是由一個 master 管理進程，多個 worker 進程處理工作的多進程模型。基礎架構設計，如下圖所示：

基礎架構設計

master 負責管理 worker 進程，worker 進程負責處理網絡事件。整個框架被設計為一種依賴事件驅動、異步、非阻塞的模式。

如此設計的優點：

• 1.可以充分利用多核機器，增強并發處理能力。
• 2.多 worker 間可以實現負載均衡。
• 3.Master 監控并統一管理 worker 行為。在 worker 異常后，可以主動拉起 worker 進程，從而提升了系統的可靠性。并且由 Master 進程控制服務運行中的程序升級、配置項修改等操作，從而增強了整體的動態可擴展與熱更的能力。

2.Master 進程

2.1 核心邏輯

master 進程的主邏輯在ngx_master_process_cycle，核心關注源碼：

ngx_master_process_cycle(ngx_cycle_t *cycle) 
{ 
    ... 
    ngx_start_worker_processes(cycle, ccf->worker_processes, 
                                        NGX_PROCESS_RESPAWN); 
    ... 
 
 
    for ( ;; ) { 
        if (delay) {...} 
 
        ngx_log_debug0(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0, "sigsuspend"); 
 
        sigsuspend(&set); 
 
        ngx_time_update(); 
 
        ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0, 
                             "wake up, sigio %i", sigio); 
 
        if (ngx_reap) { 
            ngx_reap = 0; 
            ngx_log_debug0(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0, "reap children"); 
            live = ngx_reap_children(cycle); 
        } 
 
        if (!live && (ngx_terminate || ngx_quit)) {...} 
 
        if (ngx_terminate) {...} 
 
        if (ngx_quit) {...} 
 
        if (ngx_reconfigure) {...} 
 
        if (ngx_restart) {...} 
 
        if (ngx_reopen) {...} 
 
        if (ngx_change_binary) {...} 
 
        if (ngx_noaccept) { 
            ngx_noaccept = 0; 
            ngx_noaccepting = 1; 
            ngx_signal_worker_processes(cycle, 
                                                  ngx_signal_value(NGX_SHUTDOWN_SIGNAL)); 
        } 
    } 
 } 

由上述代碼，可以理解，master 進程主要用來管理 worker 進程，具體包括如下 4 個主要功能：

1.接受來自外界的信號。其中 master 循環中的各項標志位就對應著各種信號，如：ngx_quit代表QUIT信號，表示優雅的關閉整個服務。

2.向各個 worker 進程發送信。比如ngx_noaccept代表WINCH信號，表示所有子進程不再接受處理新的連接，由 master 向所有的子進程發送 QUIT 信號量。

3.監控 worker 進程的運行狀態。比如ngx_reap代表CHILD信號，表示有子進程意外結束，這時需要監控所有子進程的運行狀態，主要由ngx_reap_children完成。

4.當 woker 進程退出后(異常情況下)，會自動重新啟動新的 woker 進程。主要也是在ngx_reap_children

2.2 熱更

2.2.1 熱重載-配置熱更

熱重載

nginx 熱更配置時，可以保持運行中平滑更新配置，具體流程如下：

• 1.更新 nginx.conf 配置文件，向 master 發送 SIGHUP 信號或執行 nginx -s reload
• 2.master 進程使用新配置，啟動新的 worker 進程
• 3.使用舊配置的 worker 進程，不再接受新的連接請求，并在完成已存在的連接后退出

2.2.2 熱升級-程序熱更

熱升級

nginx 熱升級過程如下：

1.將舊 Nginx 文件換成新 Nginx 文件(注意備份)

2.向 master 進程發送 USR2 信號(平滑升級到新版本的 Nginx 程序)

3.master 進程修改 pid 文件號，加后綴.oldbin

4.master 進程用新 Nginx 文件啟動新 master 進程，此時新老 master/worker 同時存在。

5.向老 master 發送 WINCH 信號，關閉舊 worker 進程，觀察新 worker 進程工作情況。若升級成功，則向老 master 進程發送 QUIT 信號，關閉老 master 進程;若升級失敗，則需要回滾，向老 master 發送 HUP 信號(重讀配置文件)，向新 master 發送 QUIT 信號，關閉新 master 及 worker。

3.Worker 進程

3.1 核心邏輯

worker 進程的主邏輯在ngx_worker_process_cycle，核心關注源碼：

ngx_worker_process_cycle(ngx_cycle_t *cycle, void *data) 
{ 
    ngx_int_t worker = (intptr_t) data; 
 
    ngx_process = NGX_PROCESS_WORKER; 
    ngx_worker = worker; 
 
    ngx_worker_process_init(cycle, worker); 
 
    ngx_setproctitle("worker process"); 
 
    for ( ;; ) { 
 
        if (ngx_exiting) {...} 
 
        ngx_log_debug0(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0, "worker cycle"); 
 
        ngx_process_events_and_timers(cycle); 
 
        if (ngx_terminate) {...} 
 
        if (ngx_quit) {...} 
 
        if (ngx_reopen) {...} 
    } 
} 

由上述代碼，可以理解，worker 進程主要在處理網絡事件，通過ngx_process_events_and_timers方法實現，其中事件主要包括：網絡事件、定時器事件。

3.2 事件驅動-epoll

worker 進程在處理網絡事件時，依靠 epoll 模型，來管理并發連接，實現了事件驅動、異步、非阻塞等特性。如下圖所示：

infographic-Inside-NGINX_nonblocking

通常海量并發連接過程中，每一時刻(相對較短的一段時間)，往往只需要處理一小部分有事件的連接即活躍連接。基于以上現象，epoll 通過將連接管理與活躍連接管理進行分離，實現了高效、穩定的網絡 IO 處理能力。

網絡模型對比

其中，epoll 利用紅黑樹高效的增刪查效率來管理連接，利用一個雙向鏈表來維護活躍連接。

epoll數據結構

3.3 驚群

由于 worker 都是由 master 進程 fork 產生，所以 worker 都會監聽相同端口。這樣多個子進程在 accept 建立連接時會發生爭搶，帶來著名的“驚群”問題。worker 核心處理邏輯ngx_process_events_and_timers核心代碼如下：

void ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle){ 
    //這里面會對監聽socket處理 
    ... 
 
    if (ngx_accept_disabled > 0) { 
            ngx_accept_disabled--; 
    } else { 
        //獲得鎖則加入wait集合, 
        if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) { 
            return; 
        } 
        ... 
        //設置網絡讀寫事件延遲處理標志，即在釋放鎖后處理 
        if (ngx_accept_mutex_held) { 
            flags |= NGX_POST_EVENTS; 
        } 
    } 
    ... 
    //這里面epollwait等待網絡事件 
    //網絡連接事件，放入ngx_posted_accept_events隊列 
    //網絡讀寫事件，放入ngx_posted_events隊列 
    (void) ngx_process_events(cycle, timer, flags); 
    ... 
    //先處理網絡連接事件，只有獲取到鎖，這里才會有連接事件 
    ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_accept_events); 
    //釋放鎖，讓其他進程也能夠拿到 
    if (ngx_accept_mutex_held) { 
        ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex); 
    } 
    //處理網絡讀寫事件 
    ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_events); 
} 

由上述代碼可知，Nginx 解決驚群的方法：

1.將連接事件與讀寫事件進行分離。連接事件存放為ngx_posted_accept_events，讀寫事件存放為ngx_posted_events。

2.設置ngx_accept_mutex鎖，只有獲得鎖的進程，才可以處理連接事件。

3.4 負載均衡

worker 間的負載關鍵在于各自接入了多少連接，其中接入連接搶鎖的前置條件是ngx_accept_disabled > 0，所以ngx_accept_disabled就是負載均衡機制實現的關鍵閾值。

ngx_int_t             ngx_accept_disabled; 
ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n / 8 - ngx_cycle->free_connection_n; 

因此，在 nginx 啟動時，ngx_accept_disabled的值就是一個負數，其值為連接總數的 7/8。當該進程的連接數達到總連接數的 7/8 時，該進程就不會再處理新的連接了，同時每次調用'ngx_process_events_and_timers'時，將ngx_accept_disabled減 1，直到其值低于閾值時，才試圖重新處理新的連接。因此，nginx 各 worker 子進程間的負載均衡僅在某個 worker 進程處理的連接數達到它最大處理總數的 7/8 時才會觸發，其負載均衡并不是在任意條件都滿足。如下圖所示：

實際工作情況

其中'pid'為 1211 的進程為 master 進程，其余為 worker 進程

4.思考

4.1 為什么不采用多線程模型管理連接?

1.無狀態服務，無需共享進程內存

2.采用獨立的進程，可以讓互相之間不會影響。一個進程異常崩潰，其他進程的服務不會中斷，提升了架構的可靠性。

3.進程之間不共享資源，不需要加鎖，所以省掉了鎖帶來的開銷。

4.2 為什么不采用多線程處理邏輯業務?

1.進程數已經等于核心數，再新建線程處理任務，只會搶占現有進程，增加切換代價。

2.作為接入層，基本上都是數據轉發業務，網絡 IO 任務的等待耗時部分，已經被處理為非阻塞/全異步/事件驅動模式，在沒有更多 CPU 的情況下，再利用多線程處理，意義不大。并且如果進程中有阻塞的處理邏輯，應該由各個業務進行解決，比如 openResty 中利用了 Lua 協程，對阻塞業務進行了優化。