Nginx 如何處理請求？這篇文章幫你講透！
Nginx（Engine X）是一個(gè)高性能的HTTP和反向代理服務(wù)器，它以其高并發(fā)、高性能和低資源消耗著稱。這篇文章，我們將從原理、代碼以及示例來深入分析 Nginx如何處理請求。
一、Nginx請求處理原理
Nginx請求處理的原理主要涉及以下 6個(gè)核心技術(shù)點(diǎn)：
- 事件驅(qū)動(dòng)模型
- 異步非阻塞處理
- 進(jìn)程模型
- 模塊化設(shè)計(jì)
- 負(fù)載均衡和反向代理
- 配置文件解析
接下來我們將一一分析它們：
1. 事件驅(qū)動(dòng)模型
Nginx的事件驅(qū)動(dòng)模型基于非阻塞 I/O 和事件循環(huán)。它使用多路復(fù)用技術(shù)（如 epoll、kqueue 等）來監(jiān)控多個(gè)連接，并在事件發(fā)生時(shí)調(diào)用相應(yīng)的處理器。
(1) 多路復(fù)用技術(shù)
多路復(fù)用技術(shù)是事件驅(qū)動(dòng)模型的關(guān)鍵。Nginx 支持多種多路復(fù)用機(jī)制，包括：
- epoll：Linux 平臺(tái)上的高效多路復(fù)用機(jī)制，適用于大量并發(fā)連接。
- kqueue：FreeBSD、OpenBSD、macOS 等平臺(tái)的多路復(fù)用機(jī)制。
- select 和 poll：較早期的多路復(fù)用機(jī)制，適用于較少的并發(fā)連接。
Nginx 會(huì)根據(jù)操作系統(tǒng)的不同自動(dòng)選擇最優(yōu)的多路復(fù)用機(jī)制。
(2) 事件循環(huán)
在 Nginx 中，事件循環(huán)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控和處理網(wǎng)絡(luò)事件。其基本流程如下：
- 初始化：初始化事件模塊，配置事件處理機(jī)制（如 epoll）。
- 事件監(jiān)聽：監(jiān)聽客戶端連接請求、數(shù)據(jù)可讀可寫等事件。
- 事件檢測：通過多路復(fù)用機(jī)制檢測事件的發(fā)生。
- 事件分發(fā)：將檢測到的事件分發(fā)給對應(yīng)的事件處理器。
- 事件處理：調(diào)用回調(diào)函數(shù)來處理具體的事件，如讀取請求、發(fā)送響應(yīng)等。
(3) 事件處理
Nginx 的事件處理是通過一系列的回調(diào)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，這些回調(diào)函數(shù)在不同的事件階段被調(diào)用，包括：
- 連接建立：處理新連接的建立。
- 請求讀取：從客戶端讀取請求數(shù)據(jù)。
- 響應(yīng)發(fā)送：向客戶端發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)。
- 連接關(guān)閉：處理連接的關(guān)閉。
(4) Worker 進(jìn)程
Nginx 使用多進(jìn)程架構(gòu)，其中每個(gè) Worker 進(jìn)程都是一個(gè)獨(dú)立的事件驅(qū)動(dòng)服務(wù)器。Master 進(jìn)程負(fù)責(zé)管理 Worker 進(jìn)程，而 Worker 進(jìn)程則負(fù)責(zé)處理客戶端請求。每個(gè) Worker 進(jìn)程都有自己的事件循環(huán)，能夠獨(dú)立處理并發(fā)連接。
2. 異步非阻塞處理
異步非阻塞意味著 Nginx在處理一個(gè)請求時(shí)，可以進(jìn)行 I/O操作而不被阻塞，當(dāng)請求發(fā)起后，處理過程中的任何耗時(shí)操作（如磁盤I/O，網(wǎng)絡(luò)I/O）都不會(huì)阻塞整個(gè)處理。Nginx通過將這些操作放在異步事件中等待完成，釋放工作進(jìn)程來處理其他可用事件。
3. 進(jìn)程模型
Nginx 采用了 Master-Worker 多進(jìn)程架構(gòu)，其中包含一個(gè)主進(jìn)程（Master Process）和一個(gè)或多個(gè)工作進(jìn)程（Worker Processes）。這種架構(gòu)的設(shè)計(jì)可以確保責(zé)任分離，以便更好地管理系統(tǒng)資源、并發(fā)請求處理與故障恢復(fù)。
(1) Master進(jìn)程
職責(zé)：
- Master進(jìn)程的主要職責(zé)是管理和控制工作進(jìn)程。
- 接收和處理來自外部（如管理員）的請求，例如配置重載、啟動(dòng)或關(guān)閉 Nginx。
- 在啟動(dòng)時(shí)讀取和解析配置文件，初始化各種全局變量和資源。
主要功能：
- 啟動(dòng)和終止 Worker 進(jìn)程：Master 進(jìn)程負(fù)責(zé)分批啟動(dòng)工作進(jìn)程，并根據(jù)需要重啟或終止工作進(jìn)程。
- 管理信號(hào)：監(jiān)聽和處理系統(tǒng)信號(hào)（如 SIGHUP 用于重載配置，SIGTERM 用于關(guān)閉服務(wù)器等）。
- 平滑升級(jí)：做出配置更改或執(zhí)行 Nginx 版本升級(jí)時(shí)，可以通過不間斷地重新啟動(dòng)工作進(jìn)程實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。
(2) Worker進(jìn)程
職責(zé)：
- 處理客戶端請求的所有工作。所有實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)事件處理都在工作進(jìn)程中進(jìn)行，包括接受連接、讀取請求、處理請求、發(fā)送響應(yīng)，等等。
- 每個(gè) Worker 進(jìn)程都是相互獨(dú)立的，同時(shí)可以處理獨(dú)立的連接。
主要特性和功能：
- 無共享狀態(tài)：每個(gè) Worker 內(nèi)存相互獨(dú)立，這樣可以避免在編程中可能出現(xiàn)的很多鎖問題，提高并行處理效率。
- 事件驅(qū)動(dòng)和非阻塞 I/O：Worker 進(jìn)程使用非阻塞 I/O 和事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制（如 epoll、kqueue 等）來處理請求，這使得在同一時(shí)間可以處理大量的并發(fā)請求。
- 進(jìn)程模型的競爭連接機(jī)制：所有 Worker 進(jìn)程均平等地收到請求連接，具體哪個(gè)進(jìn)程處理新連接由端口復(fù)用技術(shù)和操作系統(tǒng)決定。
(3) 進(jìn)程之間的通信
① Nginx 的 Master 和 Worker 進(jìn)程之間使用 UNIX 信號(hào)進(jìn)行簡單而有效的通信，Master 進(jìn)程對信號(hào)的響應(yīng)可以帶來整體行為的變化。例如：
SIGHUP：重新加載配置，此時(shí) Master進(jìn)程會(huì)完成以下幾件事：
- 檢查語法錯(cuò)誤后生成新配置。
- 啟動(dòng)新的 Worker 進(jìn)程。
- 逐漸關(guān)閉舊的 Worker 進(jìn)程，以便不會(huì)中斷現(xiàn)有連接。
② SIGTERM/SIGQUIT：優(yōu)雅地關(guān)閉 Nginx 服務(wù)器。此時(shí)，Master 進(jìn)程會(huì)通知 Worker 進(jìn)程在所有當(dāng)前請求完成后關(guān)閉。
③ SIGUSR1：重新打開日志文件，通常用于日志切換。
4. 模塊化設(shè)計(jì)
Nginx以模塊化的方式設(shè)計(jì)，通過不同類型的模塊（如HTTP模塊、事件模塊、Mail模塊等）來完成不同功能。每種模塊提供了處理請求的特定功能，組合在一起完成完整的HTTP服務(wù)。
5. 負(fù)載均衡和反向代理
Nginx可以配置為反向代理，在處理請求時(shí)直接轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務(wù)器。它可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，根據(jù)設(shè)定的策略（如輪詢、最少連接）來分配請求。
6. 配置文件解析
Nginx通過配置文件執(zhí)行請求的處理定義。配置文件指定服務(wù)器塊、位置塊和其他配置指令，用以指示Nginx如何響應(yīng)不同的HTTP請求。
二、代碼分析
Nginx的代碼是用C語言編寫的，下面我們分析一些關(guān)鍵的代碼片段來了解其工作原理。
1. 啟動(dòng)流程
Nginx的啟動(dòng)從main函數(shù)開始，在src/core/nginx.c文件中：
int main(int argc, char *const *argv) {
ngx_log_t *log;
ngx_cycle_t *cycle, init_cycle;
ngx_core_conf_t *ccf;
ngx_conf_t cf;
// 初始化日志、信號(hào)處理等
ngx_log_error(NGX_LOG_NOTICE, log, 0, "nginx version: " NGINX_VERSION);
// 獲取命令行參數(shù)
process_args(argc, argv, &init_cycle);
// 初始化周期
cycle = ngx_init_cycle(&init_cycle);
// 循環(huán)處理到來的請求
ngx_process_events_and_timers(cycle);
return 0;
}ngx_init_cycle是初始化Nginx周期的函數(shù)，其中包括配置文件的加載和解析。
2. 事件循環(huán)
核心的事件循環(huán)位于ngx_process_events_and_timers函數(shù)中：
void ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle) {
ngx_msec_t timer, delta;
ngx_uint_t i;
for (;;) {
// 獲取即將觸發(fā)的事件和時(shí)間
timer = ngx_event_find_timer();
if (timer == NGX_TIMER_INFINITE) {
timer = (ngx_msec_t) NGX_TIMER_INFINITE_VALUE;
}
// 等待事件到來
(void) ngx_process_events(cycle, timer, 0);
// 調(diào)用定時(shí)器事件
ngx_event_expire_timers();
// 處理延遲文件事件
ngx_handle_delayed_events(cycle);
}
}在這個(gè)循環(huán)中，Nginx持續(xù)地等待事件的發(fā)生，然后根據(jù)事件的類型執(zhí)行相應(yīng)的操作。
3. 請求處理
實(shí)際的HTTP請求處理則是在ngx_http_process_request中完成：
void ngx_http_process_request(ngx_http_request_t *r) {
ngx_connection_t *c;
ngx_http_core_main_conf_t *cmcf;
c = r->connection;
// 處理的階段分為不同的handler
cmcf = ngx_http_get_module_main_conf(r, ngx_http_core_module);
// Match the location
ngx_http_core_find_config_phase(r);
// Perform access checks
if (ngx_http_process_request_uri(r) != NGX_OK) {
return;
}
// Execute input body filters
if (ngx_http_read_client_request_body(r, ngx_http_request_body_handler) >= NGX_HTTP_SPECIAL_RESPONSE) {
return;
}
// Call content handler
ngx_http_core_content_phase(r);
}在這個(gè)函數(shù)里，Nginx逐一執(zhí)行請求生命周期中的各個(gè)階段，包括URI解析，權(quán)限檢查，讀取請求體，以及最終的內(nèi)容處理。
三、示例配置
為了更好地理解 Nginx如何處理請求，在這里，我們通過一個(gè)簡單的靜態(tài)網(wǎng)頁服務(wù)器的配置例子來說明：
worker_processes 1;
events {
worker_connections 1024;
}
http {
server {
listen 80;
server_name localhost;
location / {
root /var/www/html;
index index.html index.htm;
}
}
}配置分析：
- worker_processes 1;：指定Nginx使用一個(gè)worker進(jìn)程。
- worker_connections 1024;：每個(gè)worker進(jìn)程最多支持1024個(gè)并發(fā)連接。
- http {}：開始一個(gè)HTTP配置上下文。
- server {}：定義一個(gè)虛擬服務(wù)器。
- listen 80;：服務(wù)器監(jiān)聽80端口。
- server_name localhost;：指定服務(wù)器名。
- location / {}：定義根目錄的請求處理位置。
- root /var/www/html;：將所有對根目錄的請求映射到文件系統(tǒng)的/var/www/html目錄。
- index index.html index.htm;：指定默認(rèn)的首頁文件。
四、總結(jié)
Nginx是一款優(yōu)秀的反向代理框架，它的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)牢牢把握住了高性能和高并發(fā)的目標(biāo)，通過事件驅(qū)動(dòng)模型、異步處理、多進(jìn)程架構(gòu)以及豐富的模塊系統(tǒng)，Nginx不僅可以高效地處理HTTP請求，還可以通過模塊化的配置系統(tǒng)進(jìn)行極為靈活的部署和定制。通過深入Nginx的代碼和運(yùn)行原理，我們可以更好地理解和優(yōu)化我們的Nginx服務(wù)器配置。
