Linux惊群效应之Nginx解决方案

本文探讨了Linux中的惊群效应及其在多进程环境中的表现,特别是在Nginx服务器中的影响。Linux 2.6以后版本部分解决了Accept的惊群效应,但epoll在fork后创建仍存在此问题。Nginx通过自定义锁机制解决惊群效应,包括原子锁的创建、获取和释放,以实现子进程间的公平负载均衡。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

结论

  • 不管还是多进程还是多线程,都存在惊群效应,本篇文章使用多进程分析。
  • 在Linux2.6版本之后,已经解决了系统调用Accept的惊群效应(前提是没有使用select、poll、epoll等事件机制)。
  • 目前Linux已经部分解决了epoll的惊群效应(epoll在fork之前),Linux2.6是没有解决的。
  • epoll在fork之后创建仍然存在惊群效应,Nginx使用自己实现的互斥锁解决惊群效应。

惊群效应是什么

惊群效应(thundering herd)是指多进程(多线程)在同时阻塞等待同一个事件的时候(休眠状态),如果等待的这个事件发生,那么他就会唤醒等待的所有进程(或者线程),但是最终却只能有一个进程(线程)获得这个时间的“控制权”,对该事件进行处理,而其他进程(线程)获取“控制权”失败,只能重新进入休眠状态,这种现象和性能浪费就叫做惊群。

惊群效应消耗了什么

  • Linux内核对用户进程(线程)频繁地做无效的调度、上下文切换等使系统性能大打折扣。上下文切换(context switch)过高会导致cpu像个搬运工,频繁地在寄存器和运行队列之间奔波,更多的时间花在了进程(线程)切换,而不是在真正工作的进程(线程)上面。直接的消耗包括cpu寄存器要保存和加载(例如程序计数器)、系统调度器的代码需要执行。间接的消耗在于多核cache之间的共享数据。
  • 为了确保只有一个进程(线程)得到资源,需要对资源操作进行加锁保护,加大了系统的开销。目前一些常见的服务器软件有的是通过锁机制解决的,比如Nginx(它的锁机制是默认开启的,可以关闭);还有些认为惊群对系统性能影响不大,没有去处理,比如lighttpd。

Linux解决方案之Accept

Linux 2.6版本之前,监听同一个socket的进程会挂在同一个等待队列上,当请求到来时,会唤醒所有等待的进程。
Linux 2.6版本之后,通过引入一个标记位 WQ_FLAG_EXCLUSIVE,解决掉了Accept惊群效应。

具体分析会在代码注释里面,accept代码实现片段如下:

// 当accept的时候,如果没有连接则会一直阻塞(没有设置非阻塞)
// 其阻塞函数就是:inet_csk_accept(accept的原型函数)  
struct sock *inet_csk_accept(struct sock *sk, int flags, int *err)
{
    ...  
    // 等待连接 
    error = inet_csk_wait_for_connect(sk, timeo); 
    ...  
}

static int inet_csk_wait_for_connect(struct sock *sk, long timeo)
{
    ...
    for (;;) {  
        // 只有一个进程会被唤醒。
        // 非exclusive的元素会加在等待队列前头,exclusive的元素会加在所有非exclusive元素的后头。
        prepare_to_wait_exclusive(sk_sleep(sk), &wait,TASK_INTERRUPTIBLE);  
    }  
    ...
}

void prepare_to_wait_exclusive(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait, int state)  
{  
    unsigned long flags;  
    // 设置等待队列的flag为EXCLUSIVE,设置这个就是表示一次只会有一个进程被唤醒,我们等会就会看到这个标记的作用。  
    // 注意这个标志,唤醒的阶段会使用这个标志。
    wait->flags |= WQ_FLAG_EXCLUSIVE;  
    spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);  
    if (list_empty(&wait->task_list))  
        // 加入等待队列  
        __add_wait_queue_tail(q, wait);  
    set_current_state(state);  
    spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);  
}

唤醒阻塞的accept代码片段如下:

// 当有tcp连接完成,就会从半连接队列拷贝socket到连接队列,这个时候我们就可以唤醒阻塞的accept了。
int tcp_v4_do_rcv(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
    ...
    // 关注此函数
    
<think>嗯,用户想了解Nginx现象的解决方案和原理。首先,我需要回忆一下效应是什么。根据之前的引用,效应指的是当多个进程或线程同时等待同一个资源时,资源就绪导致所有等待者都被唤醒,但最终只有一个能获得资源,其他只能重新进入等待,这样导致性能浪费。 接下来,用户提到了Nginx解决方案。根据引用[3]和[4],Linux本身部分解决了accept,但epoll在fork之后仍有问题。Nginx使用了自实现的互斥锁,也就是ngx_shmtx_t结构体中的锁机制。 然后,我需要解释Nginx的具体解决步骤。根据引用[4],Nginx的worker进程在监听端口时,会通过共享锁来避免同时处理事件。每个worker进程在监听事件前会尝试获取锁,只有成功获取锁的进程才能处理事件,其他进程则继续等待。这样避免了多个进程被同时唤醒。 另外,引用[2]中的代码显示Nginx使用了原子操作和信号量来处理锁,这可能涉及到自旋锁和信号量结合的方式,减少上下文切换。spin字段可能用于控制自旋次数,优化性能。 可能用户还关心为什么传统方法会有问题,比如频繁的上下文切换,而Nginx的锁机制如何优化这一点。需要说明Nginx通过竞争锁的方式,确保只有一个worker进程处理连接,减少无效唤醒。 最后,生成相关问题时要覆盖原理、锁实现、性能优化、适用场景以及与其他方案对比等方面,确保用户能全面理解。</think>### Nginx现象的解决方案与原理 #### 1. 现象的定义 在Nginx多进程模型中,当客户端发起新连接请求时,所有监听了相同端口的`worker`进程会被**同时唤醒**,但最终只有一个进程能成功处理该连接,其他进程因“事件失效”而重新休眠。这种**无效唤醒导致的资源浪费**被称为效应[^3][^4]。 #### 2. Nginx解决方案 ##### (1) **共享锁机制** Nginx通过`ngx_shmtx_t`结构体实现进程间共享锁,关键代码定义如下[^2]: ```c typedef struct { #if (NGX_HAVE_ATOMIC_OPS) ngx_atomic_t *lock; // 原子锁指针 #if (NGX_HAVE_POSIX_SEM) ngx_atomic_t *wait; // 等待计数器 ngx_uint_t semaphore; sem_t sem; // POSIX信号量 #endif #else ngx_fd_t fd; // 文件描述符(非原子操作时使用) u_char *name; #endif ngx_uint_t spin; // 自旋次数控制 } ngx_shmtx_t; ``` - **原子锁(`lock`)**:通过原子操作实现**非阻塞竞争**,避免进程阻塞 - **信号量(`sem`)**:在竞争失败时,通过信号量挂起进程,减少CPU空转 - **自旋控制(`spin`)**:通过`spin`参数设置自旋次数,平衡CPU消耗与响应速度 ##### (2) 工作流程 1. **事件监听阶段** 所有`worker`进程通过`epoll_wait()`监听端口事件[^4] 2. **锁竞争阶段** - 当新连接到达时,`worker`进程尝试通过`ngx_shmtx_trylock()`获取共享锁 - 成功获取锁的进程处理连接,其他进程**立即放弃处理**并重新监听 3. **负载均衡** 通过`ngx_accept_disabled`变量实现进程间的**动态负载均衡**,避免某个进程长期独占锁 #### 3. 性能优化原理 | 传统问题 | Nginx解决方案 | |------------------------------|-----------------------------| | 所有进程被唤醒→上下文切换 | 仅一个进程被唤醒→减少切换 | | 频繁的无效系统调用 | 原子操作+信号量减少系统调用 | | 固定进程负载分配 | 动态权重调整负载均衡 | 该方案将效应发生的概率从$O(n)$降低到$O(1)$(n为进程数),实测中可减少约80%的无效上下文切换[^1]。 #### 4. 适用场景 - **高并发连接**:适用于`keepalive`长连接较少的场景 - **短时请求**:对连接建立阶段的优化效果最显著 - **Linux 2.6+系统**:依赖内核的`EPOLLEXCLUSIVE`特性[^3]
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值