Nginx学习之Nginx高性能的实现原理

Nginx 采用的是多进程（单线程） & 多路IO复用模型，使用了 I/O 多路复用技术的 Nginx，就成了”并发事件驱动“的服务器，同时使用sendfile等技术，最终实现了高性能。主要从以下几个方面讲述Nginx高性能机制：

• Nginx master-worker进程机制。
• IO多路复用机制。
• Accept锁及REUSEPORT机制。
• sendfile零拷贝机制

1、Nginx进程机制

　　1.1、Nginx进程机制概述

　　许多web服务器和应用服务器使用简单的线程的（threaded）、或基于流程的（process-based）架构， NGINX则以一种复杂的事件驱动（event-driven）的架构脱颖而出，这种架构能支持现代硬件上成千上万的并发连接。

　　NGINX有一个主进程（master process）（执行特定权限的操作，如读取配置、绑定端口）和一系列工作进程（worker process）和辅助进程（helper process）。如下图所示：

　　如下所示：

# service nginx restart
* Restarting nginx
# ps -ef --forest | grep nginx
root     32475     1  0 13:36 ?        00:00:00 nginx: master process /usr/sbin/nginx -c /etc/nginx/nginx.conf
nginx    32476 32475  0 13:36 ?        00:00:00  _ nginx: worker process
nginx    32477 32475  0 13:36 ?        00:00:00  _ nginx: worker process
nginx    32479 32475  0 13:36 ?        00:00:00  _ nginx: worker process
nginx    32480 32475  0 13:36 ?        00:00:00  _ nginx: worker process
nginx    32481 32475  0 13:36 ?        00:00:00  _ nginx: cache manager process
nginx    32482 32475  0 13:36 ?        00:00:00  _ nginx: cache loader process

　　如上4核服务器所示，NGINX主进程创建了4个工作进程和2个缓存辅助进程（cachehelper processes）来管理磁盘内容缓存（on-disk content cache）。如果我们不配置缓存，那么就只会有master、worker两个进程，worker进程的数量，通过配置文件worker_process进行配置(一般worker_process数与服务器CPU核心数一致)，如下所示：

$ cat nginx.conf|grep process 
worker_processes  3;

$ ps -ef|grep nginx           
  501 33758     1   0 四03上午 ??         0:00.02 nginx: master process ./bin/nginx
  501 56609 33758   0 11:58下午 ??         0:00.00 nginx: worker process
  501 56610 33758   0 11:58下午 ??         0:00.00 nginx: worker process
  501 56611 33758   0 11:58下午 ??         0:00.00 nginx: worker process

　　NGINX根据可用的硬件资源，使用一个可预见式的（predictable）进程模型：

• Master主进程执行特权操作，如读取配置和绑定端口，还负责创建少量的子进程(以下三种进程)。
• Cache Loader缓存加载进程在启动时运行，把基于磁盘的缓存（disk-based cache）加载到内存中，然后退出。缓存加载进程的调度很谨慎，所以其资源需求很低。
• Cache Manager缓存管理进程周期性运行，并削减磁盘缓存（prunes entries from the disk caches）来使缓存保持在配置的大小范围内。
• Worker工作进程才是执行所有实际任务的进程：处理网络连接、读取和写入内容到磁盘，与upstream服务器通信等。

　　多数情况下，NGINX建议每1个CPU核心都运行1个工作进程，使硬件资源得到最有效的利用。你可以在配置中设置如下指令：

worker_processes auto;

　　当NGINX服务器运行时，只有Worker工作进程在忙碌。每个工作进程都以非阻塞的方式处理多个连接，以减少上下文切换的开销。 每个工作进程都是单线程且独立运行的，抓取并处理新的连接。进程间通过共享内存的方式，来共享缓存数据、持久性会话数据（session persistence data）和其他共享资源。

　　1.2、Master进程

　　nginx启动后，系统中会以daemon的方式在后台运行，后台进程包含一个master进程和多个worker进程。当然nginx也是支持多线程的方式的，只是我们主流的方式还是多进程的方式，也是nginx的默认方式。我们可以手动地关掉后台模式，让nginx在前台运行，并且通过配置让nginx取消master进程，从而可以使nginx以单进程方式运行。生产环境下肯定不会这么做，所以关闭后台模式，一般是用来调试用的。

　　master进程主要用来管理worker进程，包含：接收来自外界的信号，向各worker进程发送信号，监控worker进程的运行状态，当worker进程退出后(异常情况下)，会自动重新启动新的worker进程。

　　1.3、Worker进程

　　每一个Worker工作进程都是使用NGINX配置文件初始化的，并且主节点会为其提供一套监听套接字（listen sockets）。 worker进程之间是平等的，每个进程，处理请求的机会也是一样的。当我们提供80端口的http服务时，一个连接请求过来，每个进程都有可能处理这个连接，怎么做到的呢？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，这样一个完整的请求就是这样的了。所以Worker工作进程通过等待在监听套接字上的事件(accept_mutex和kernel socketsharding)开始工作。事件是由新的incoming connections初始化的。这些连接被会分配给状态机（statemachine）—— HTTP状态机是最常用的，但NGINX还为流（原生TCP）和大量的邮件协议（SMTP，IMAP和POP3）实现了状态机。

　　状态机本质上是一组告知NGINX如何处理请求的指令。大多数和NGINX具有相同功能的web服务器也使用类似的状态机——只是实现不同。如下图所示，就是一个HTTP请求的生命周期&#x