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Nginx 以其高性能，稳定性，丰富的功能，简单的配置和低资源消耗而闻名。这几年，Nginx 逐渐成为国内使用最广泛的 Web 服务器，无论是创业公司还是一线大厂都在用。本文为大家讲解 Nginx 架构原理！
Nginx 基础架构
Nginx 启动后以 daemon 形式在后台运行，后台进程包含一个 master 进程和多个 worker 进程。
如下图所示：
master 与 worker
Nginx 是由一个 master 管理进程，多个 worker 进程处理工作的多进程模型。
基础架构设计，如下图所示：
基础架构设计
master 负责管理 worker 进程，worker 进程负责处理网络事件。整个框架被设计为一种依赖事件驱动、异步、非阻塞的模式。
如此设计的优点：
- 可以充分利用多核机器，增强并发处理能力。
- 多 worker 间可以实现负载均衡。
- Master 监控并统一管理 worker 行为。在 worker 异常后，可以主动拉起 worker 进程，从而提升了系统的可靠性。
并且由 Master 进程控制服务运行中的程序升级、配置项修改等操作，从而增强了整体的动态可扩展与热更的能力。
Master 进程
①核心逻辑
master 进程的主逻辑在 ngx_master_process_cycle，核心关注源码：
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));
}
}
}
由上述代码，可以理解，master 进程主要用来管理 worker 进程，具体包括如下 4 个主要功能：
- 接受来自外界的信号。其中 master 循环中的各项标志位就对应着各种信号，如：ngx_quit 代表 QUIT 信号，表示优雅的关闭整个服务。
- 向各个 worker 进程发送信。比如 ngx_noaccept 代表 WINCH 信号，表示所有子进程不再接受处理新的连接，由 master 向所有的子进程发送 QUIT 信号量。
- 监控 worker 进程的运行状态。比如 ngx_reap 代表 CHILD 信号，表示有子进程意外结束，这时需要监控所有子进程的运行状态，主要由 ngx_reap_children 完成。
- 当 woker 进程退出后（异常情况下），会自动重新启动新的 woker 进程。主要也是在 ngx_reap_children。
②热更
热重载-配置热更：
热重载
Nginx 热更配置时，可以保持运行中平滑更新配置，具体流程如下：
- 更新 nginx.conf 配置文件，向 master 发送 SIGHUP 信号或执行 nginx -s reload
- master 进程使用新配置，启动新的 worker 进程
- 使用旧配置的 worker 进程，不再接受新的连接请求，并在完成已存在的连接后退出
热升级-程序热更：
热升级
Nginx 热升级过程如下：
将旧 Nginx 文件换成新 Nginx 文件（注意备份）
向 master 进程发送 USR2 信号（平滑升级到新版本的 Nginx 程序）
master 进程修改 pid 文件号，加后缀 .oldbin
master 进程用新 Nginx 文件启动新 master 进程，此时新老 master/worker 同时存在。
向老 master 发送 WINCH 信号，关闭旧 worker 进程，观察新 worker 进程工作情况。
若升级成功，则向老 master 进程发送 QUIT 信号，关闭老 master 进程；若升级失败，则需要回滚，向老 master 发送 HUP 信号（重读配置文件），向新 master 发送 QUIT 信号，关闭新 master 及 worker。
Worker 进程
①核心逻辑
worker 进程的主逻辑在 ngx_worker_process_cycle，核心关注源码：
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) {...}
}
}
由上述代码，可以理解，worker 进程主要在处理网络事件，通过 ngx_process_events_and_timers 方法实现，其中事件主要包括：网络事件、定时器事件。
②事件驱动-epoll
worker 进程在处理网络事件时，依靠 epoll 模型，来管理并发连接，实现了事件驱动、异步、非阻塞等特性。
如下图所示：
infographic-Inside-NGINX_nonblocking
通常海量并发连接过程中，每一时刻（相对较短的一段时间），往往只需要处理一小部分有事件的连接即活跃连接。
基于以上现象，epoll 通过将连接管理与活跃连接管理进行分离，实现了高效、稳定的网络 IO 处理能力。
网络模型对比
其中，epoll 利用红黑树高效的增删查效率来管理连接，利用一个双向链表来维护活跃连接。
epoll 数据结构
③惊群
由于 worker 都是由 master 进程 fork 产生，所以 worker 都会监听相同端口。
这样多个子进程在 accept 建立连接时会发生争抢，带来著名的“惊群”问题。
worker 核心处理逻辑 ngx_process_events_and_timers 核心代码如下：
void ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle){
//这里面会对监听socket处理
...
if (ngx_accept_disabled > 0) {
ngx_accept_disabled--;
} else {
//获得锁则加入wait集合,
if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {
return;
}
...
//设置网络读写事件延迟处理标志，即在释放锁后处理
if (ngx_accept_mutex_held) {
flags |= NGX_POST_EVENTS;
}
}
...
//这里面epollwait等待网络事件
//网络连接事件，放入ngx_posted_accept_events队列
//网络读写事件，放入ngx_posted_events队列
(void) ngx_process_events(cycle, timer, flags);
...
//先处理网络连接事件，只有获取到锁，这里才会有连接事件
ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_accept_events);
//释放锁，让其他进程也能够拿到
if (ngx_accept_mutex_held) {
ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
}
//处理网络读写事件
ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_events);
}
由上述代码可知，Nginx 解决惊群的方法：
- 将连接事件与读写事件进行分离。连接事件存放为 ngx_posted_accept_events，读写事件存放为 ngx_posted_events。
- 设置 ngx_accept_mutex 锁，只有获得锁的进程，才可以处理连接事件。
④负载均衡
worker 间的负载关键在于各自接入了多少连接，其中接入连接抢锁的前置条件是 ngx_accept_disabled > 0，所以 ngx_accept_disabled 就是负载均衡机制实现的关键阈值。
ngx_int_t ngx_accept_disabled;
ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n / 8 - ngx_cycle->free_connection_n;
因此，在 nginx 启动时，ngx_accept_disabled 的值就是一个负数，其值为连接总数的 7/8。
当该进程的连接数达到总连接数的 7/8 时，该进程就不会再处理新的连接了。
同时每次调用'ngx_process_events_and_timers'时，将 ngx_accept_disabled 减 1，直到其值低于阈值时，才试图重新处理新的连接。
因此，Nginx 各 worker 子进程间的负载均衡仅在某个 worker 进程处理的连接数达到它最大处理总数的 7/8 时才会触发，其负载均衡并不是在任意条件都满足。
如下图所示：
实际工作情况
其中'pid'为 1211 的进程为 master 进程，其余为 worker 进程。
思考
为什么不采用多线程模型管理连接？
①无状态服务，无需共享进程内存。
②采用独立的进程，可以让互相之间不会影响。一个进程异常崩溃，其他进程的服务不会中断，提升了架构的可靠性。
③进程之间不共享资源，不需要加锁，所以省掉了锁带来的开销。
为什么不采用多线程处理逻辑业务？
①进程数已经等于核心数，再新建线程处理任务，只会抢占现有进程，增加切换代价。
②作为接入层，基本上都是数据转发业务，网络 IO 任务的等待耗时部分，已经被处理为非阻塞/全异步/事件驱动模式，在没有更多 CPU 的情况下，再利用多线程处理，意义不大。
并且如果进程中有阻塞的处理逻辑，应该由各个业务进行解决，比如 OpenResty 中利用了 Lua 协程，对阻塞业务进行了优化。
