nginx實現(xiàn)高性能和可擴展性的方法-創(chuàng)新互聯(lián)

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NGINX的整體架構的特點是由一組進程協(xié)同工作：

主進程：負責執(zhí)行特權操作，如閱讀配置文件、綁定套接字、創(chuàng)建/通知協(xié)調（Signalling）子進程。

工作進程：負責接收和處理連接請求，讀取和寫入磁盤，并與上游服務器通信。當NGINX處于活躍狀態(tài)時，只有工作進程是忙碌的。

緩存加載器進程：負責將磁盤高速緩存加載到內存中。這個進程在啟動時運行后隨即退出。

緩存管理器進程：負責整理磁盤緩存的數(shù)據(jù)保證其不越界。這個進程會間歇性運行。

NGINX能夠實現(xiàn)高性能和可擴展性的關鍵取決于兩個基本的設計選型：

盡可能限制工作進程的數(shù)量，從而減少上下文切換帶來的開銷。默認和推薦配置是讓每個CPU內核對應一個工作進程，從而高效利用硬件資源。

工作進程采用單線程，并以非阻塞的方式處理多個并發(fā)連接。

NGINX的每個工作進程通過狀態(tài)機處理多個連接請求，這個狀態(tài)機被實現(xiàn)為非阻塞的工作方式：

每個工作進程需要處理若干套接字，包括監(jiān)聽套接字或者連接套接字。

當監(jiān)聽套接字收到新的請求時，會打開一個新的連接套接字來處理與客戶端的通信。

當一個事件到達連接套接字時，工作進程迅速完成響應，并轉而處理其他任何套接字新收到的事件。

Garrett說，NGINX選擇這樣的設計，使它從根本上區(qū)別于其他Web服務器。通常的Web服務器會選用將每個連接分配給獨立線程的模式，這使得多個連接的處理非常容易，因為每個連接可以被認為是包含多個步驟的一個線性序列，但這樣會產生上下文切換的開銷。事實上，工作線程大部分的時間處于阻塞的狀態(tài)，在等待客戶端或其它上游服務器。當試圖執(zhí)行I/O等操作的并發(fā)連接數(shù)/線程數(shù)的規(guī)模超過一定閾值，或是內存消耗殆盡的時候，上下文切換的成本就顯現(xiàn)出來了。

從另一方面講，NGINX的設計是不讓工作進程阻止網絡流量，除非沒有任何工作要做。此外，每一個新的連接只消耗很少的資源，僅包括一個文件描述符和少量的工作進程內存。

總的來說，NGINX的這種工作模式在系統(tǒng)調優(yōu)后，它的每個工作進程都能夠處理成百上千的HTTP并發(fā)連接。

深入NGINX：我們如何設計它的性能和擴展性

NGINX之所以能在性能上如此優(yōu)越，是由于其背后的設計。許多web服務器和應用服務器使用簡單的線程的(threaded)、或基于流程的(process-based)架構，NGINX則以一種復雜的事件驅動(event-driven)的架構脫穎而出，這種架構能支持現(xiàn)代硬件上成千上萬的并發(fā)連接。

Inside NGINX infographic涉及了從高層次進程架構的挖掘，到NGINX的單進程處理多連接的圖解。本篇文章講解了這些工作細節(jié)。

設置場景——NGINX進程模型

Setting the Scene ? the NGINX Process Model

為了更好地理解設計，你需要了解NGINX是如何工作的。NGINX有一個主進程(master process)(執(zhí)行特權操作，如讀取配置、綁定端口)和一系列工作進程(worker process)和輔助進程(helper process)。

這個四核服務器內，NGINX主進程創(chuàng)建了4個工作進程和2個緩存輔助進程(cache helper processes)來管理磁盤內容緩存(on-disk content cache)。

為什么架構很重要?

Why Is Architecture Important?

任何Unix應用程序的根本基礎都是線程或進程。(從Linux操作系統(tǒng)的角度看，線程和進程基本上是相同的，主要區(qū)別是他們共享內存的程度。) 進程或線程，是一組操作系統(tǒng)可調度的、運行在CPU內核上的獨立指令集。大多數(shù)復雜的應用程序都并行運行多個線程或進程，原因有兩個：

● 可以同時使用更多的計算機內核。

●線程和進程使并行操作很容易實現(xiàn)(例如，同時處理多個連接)。

進程和線程都消耗資源。它們都使用內存和其他OS資源，導致內核頻繁切換(被稱作上下文切換(context switch)的操作)。大多數(shù)現(xiàn)代服務器可以同時處理數(shù)百個小的、活躍的(active)線程或進程，但一旦內存耗盡，或高I/O負載導致大量的上下文切換時，服務器的性能就會嚴重下降。

對于網絡應用，通常會為每個連接(connection)分配一個線程或進程。這種架構易于實現(xiàn)，但是當應用程序需要處理成千上萬的并發(fā)連接時，這種架構的擴展性就會出現(xiàn)問題。

NGINX是如何工作的?

How Does NGINX Work?

NGINX使用一個了可預見式的(predictable)進程模型，調度可用的硬件資源：

1.主進程執(zhí)行特權操作，如讀取配置和綁定端口，還負責創(chuàng)建子進程(下面的三種類型)。

2.緩存加載進程(cache loader process)在啟動時運行，把基于磁盤的緩存(disk-based cache)加載到內存中，然后退出。對它的調度很謹慎，所以其資源需求很低。

3.緩存管理進程(cache manager process)周期性運行，并削減磁盤緩存(prunes entries from the disk caches)，以使其保持在配置范圍內。

4.工作進程(worker processes)才是執(zhí)行所有實際任務的進程：處理網絡連接、讀取和寫入內容到磁盤，與上游服務器通信等。

多數(shù)情況下，NGINX建議每1個CPU核心都運行1個工作進程，使硬件資源得到最有效的利用。你可以在配置中設置如下指令：

worker_processes auto

當NGINX服務器在運行時，只有工作進程在忙碌。每個工作進程都以非阻塞的方式處理多個連接，以消減上下文切換的開銷。

每個工作進程都是單線程且獨立運行的，抓取并處理新的連接。進程間通過共享內存的方式，來共享緩存數(shù)據(jù)、會話持久性數(shù)據(jù)(session persistence data)和其他共享資源。

NGINX內部的工作進程

Inside the NGINX Worker Process

每一個NGINX的工作進程都是NGINX配置(NGINX configuration)初始化的，并被主進程設置了一組監(jiān)聽套接字(listen sockets)。

NGINX工作進程會監(jiān)聽套接字上的事件(accept_mutex和kernel socket sharding)，來決定什么時候開始工作。事件是由新的連接初始化的。這些連接被會分配給狀態(tài)機(state machine)——HTTP狀態(tài)機是最常用的，但NGINX還為流(原生TCP)和大量的郵件協(xié)議(SMTP，IMAP和POP3)實現(xiàn)了狀態(tài)機。

狀態(tài)機本質上是一組告知NGINX如何處理請求的指令。大多數(shù)和NGINX具有相同功能的web服務器也使用類似的狀態(tài)機——只是實現(xiàn)不同。

調度狀態(tài)機

Scheduling the State Machine

把狀態(tài)機想象成國際象棋的規(guī)則。每個HTTP事務(HTTP transaction)都是一局象棋比賽。棋盤的一邊是web服務器——坐著一位可以迅速做出決定的大師級棋手。另一邊是遠程客戶端——在相對較慢的網絡中，訪問站點或應用程序的web瀏覽器。

然而，比賽的規(guī)則可能會很復雜。例如，web服務器可能需要與各方溝通(代理一個上游的應用程序)，或者和認證服務器交流。web服務器的第三方模塊也可以拓展比賽規(guī)則。

阻塞狀態(tài)機

A Blocking State Machine

回憶一下我們之前對進程和線程的描述：是一組操作系統(tǒng)可調度的、運行在CPU內核上的獨立指令集。大多數(shù)web服務器和web應用都使用一個連接 /一個進程或一個連接/一個線程的模型來進行這局國際象棋比賽。每個進程或線程都包含一個將比賽玩到最后的指令。在這個過程中，進程是由服務器來運行的，它的大部分時間都花在“阻塞(blocked)”上，等待客戶端完成其下一個動作。

1.web服務器進程(web server process)在監(jiān)聽套接字上，監(jiān)聽新的連接(客戶端發(fā)起的新比賽)。

2.一局新的比賽發(fā)起后，進程就開始工作，每一步棋下完后都進入阻塞狀態(tài)，等待客戶端走下一步棋。

3.一旦比賽結束，web服務器進程會看看客戶是否想開始新的比賽(這相當于一個存活的連接)。如果連接被關閉(客戶端離開或者超時)，web服務器進程會回到監(jiān)聽狀態(tài)，等待全新的比賽。

記住重要的一點：每一個活躍的HTTP連接(每局象棋比賽)都需要一個專用的進程或線程(一位大師級棋手)。這種架構非常易于擴展第三方模塊 (“新規(guī)則”)。然而，這里存在著一個巨大的不平衡：一個以文件描述符(file descriptor)和少量內存為代表的輕量級HTTP連接，會映射到一個單獨的進程或線程——它們是非常重量級的操作系統(tǒng)對象。這在編程上是方便的，但它造成了巨大的浪費。

NGINX是真正的大師

NGINX is a True Grandmaster

也許你聽說過車輪表演賽，在比賽中一個象棋大師要在同一時間對付幾十個對手。

Kiril Georgiev在保加利亞首都索菲亞同時對陣360名棋手，最終取得284勝，70平，6負的戰(zhàn)績。

這就是NGINX工作進程玩“國際象棋”的方式。每一個工作進程都是一位大師(記?。和ǔＧ闆r下，每個工作進程占用一個CPU內核)，能夠同時對戰(zhàn)上百棋手(實際上是成千上萬)。

1.工作進程在監(jiān)聽套接字和連接套接字上等待事件。

2.事件發(fā)生在套接字上，工作進程會處理這些事件。

●監(jiān)聽套接字上的事件意味著：客戶端開始了一局新的游戲。工作進程創(chuàng)建了一個新的連接套接字。

●連接套接字上的事件意味著：客戶端移動了棋子。工作進程會迅速響應。

工作進程從不會在網絡上停止，它時時刻刻都在等待其“對手”(客戶端)做出回應。當它已經移動了這局比賽的棋子，它會立即去處理下一局比賽，或者迎接新的對手。

為什么它會比阻塞式多進程的架構更快?

Why Is This Faster than a Blocking, Multi-Process Architecture?

NGINX的規(guī)?？梢院芎玫刂С置總€工作進程上數(shù)以萬計的連接。每個新連接都會創(chuàng)建另一個文件描述符，并消耗工作進程中少量的額外內存。每一個連接的額外消耗都很少。NGINX進程可以保持固定的CPU占用率。當沒有工作時，上下文切換也較少。

在阻塞式的、一個連接/一個進程的模式中，每個連接需要大量的額外資源和開銷，并且上下文切換(從一個進程到另一個進程)非常頻繁。

如果想了解更多，請查看由NGINX公司發(fā)展和聯(lián)合創(chuàng)始人副總裁Andrew Alexeev編寫的有關NGINX體系結構的文章。

通過適當?shù)南到y(tǒng)調優(yōu)，NGINX能大規(guī)模地處理每個工作進程數(shù)十萬并發(fā)的HTTP連接，并且能在流量高峰期間不丟失任何信息(新比賽開始)。

配置更新和NGINX升級

Updating Configuration and Upgrading NGINX

僅包含少量工作進程的NGINX進程架構，使得配置、甚至是二進制文件本身的更新都非常高效。

更新NGINX的配置，是一個非常簡單的、輕量級的、可靠的操作。運行nginx ?s reload命令即可，該命令會檢查磁盤上的配置，并給主進程發(fā)送一個SIGHUP信號。

當主進程接收到SIGHUP信號后，會做兩件事：

1.重新加載配置，fork一套新的工作進程。這些新的工作進程會立即開始接受連接和處理流量(traffic)(使用新的配置)。

2.發(fā)出信號，通知舊的工作進程安靜地退出。這些舊進程不會再接受新的連接了。只要它們處理的HTTP請求結束了，它們就會干凈地關閉連接。一旦所有的連接都被關閉，工作進程也就退出了。

這個過程會導致CPU占用率和內存使用的一個小高峰，但相比于從活動連接中加載資源，這個小高峰可忽略不計。你可以在一秒內重新加載配置多次。極少情況下，一代又一代工作進程等待連接關閉時會出現(xiàn)問題，但即便出現(xiàn)問題，它們也會被立即解決掉。

NGINX的二進制升級過程更加神奇——你可以飛速地升級NGINX本身，服務器不會有任何的丟連接、宕機、或服務中斷等情況。

二進制升級過程與配置更新相似。新的NGINX主進程與原來的主進程并行，它們共享監(jiān)聽套接字。兩個進程都是活躍的(active)，它們各自的工作進程處理各自的流量(traffic)。然后，你可以通知舊的主進程與其工作進程完美退出。

在Controlling NGINX中，整個過程有更詳細的描述。

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