nginx效能為什麼好

nginx在啟動後，在unix系統中會以daemon的方式在背景執行，後台程式包含一個master行程和多個worker行程。我們也可以手動地關掉後台模式，讓nginx在前台運行，並且透過配置讓nginx取消master進程，從而可以使nginx以單一進程方式運行。

很顯然，生產環境下我們肯定不會這麼做，所以關閉後台模式，一般是用來調試用的，在後面的章節裡面，我們會詳細地講解如何調試nginx。

所以，我們可以看到，nginx是以多進程的方式來工作的，當然nginx也是支援多執行緒的方式的，只是我們主流的方式還是多進程的方式，也是nginx的預設方式。 nginx採用多進程的方式有諸多好處，所以我就主要講解nginx的多進程模式吧。

剛剛講到，nginx在啟動後，會有一個master進程和多個worker進程。 master進程主要用來管理worker進程，包含：接收來自外界的訊號，向各worker進程發送訊號，監控worker進程的運作狀態，當worker進程退出後(異常情況下)，會自動重新啟動新的worker進程。

而基本的網路事件，則是放在worker進程中來處理了。多個worker進程之間是對等的，他們同等競爭來自客戶端的請求，各進程相互之間是獨立的。一個請求，只可能在一個worker進程中處理，一個worker進程，不可能處理其它進程的請求。 worker進程的數量是可以設定的，一般我們會設定與機器cpu核數一致，這裡面的原因與nginx的進程模型以及事件處理模型是分不開的。

在nginx啟動後，如果我們要操作nginx，要怎麼做呢？

從上文我們可以看到，master來管理worker進程，所以我們只需要與master進程通訊就行了。 master進程會接收來自外界發來的訊號，再根據訊號做不同的事情。所以我們要控制nginx，只需要透過kill向master進程發送訊號就行了。例如kill -HUP pid，則是告訴nginx，從容地重啟nginx，我們一般用這個訊號來重啟nginx，或重新載入配置，因為是從容地重啟，因此服務是不中斷的。 master行程在接收HUP訊號後是怎麼做的呢？

首先master進程在接到訊號後，會先重新載入設定文件，然後再啟動新的worker進程，並向所有舊的worker進程發送訊號，告訴他們可以光榮退休了。

新的worker在啟動後，就開始接收新的請求，而舊的worker在收到來自master的訊號後，就不再接收新的請求，並且在目前進程中的所有未處理完的請求處理完成後，再退出。

當然，直接給master進程發送訊號，這是比較老的操作方式，nginx在0.8版本之後，引入了一系列命令列參數，來方便我們管理。例如，./nginx -s reload，就是來重啟nginx，./nginx -s stop，就是來停止nginx的運作。

如何做到的呢？

我們還是拿reload來說，我們看到，執行指令時，我們是啟動一個新的nginx進程，而新的nginx進程在解析到reload參數後，就知道我們的目的是控制nginx來重新載入設定檔了，它會向master進程發送訊號，然後接下來的動作，就跟我們直接向master進程發送訊號一樣了。

現在，我們知道了當我們在操作nginx的時候，nginx內部做了些什麼事情，那麼，worker進程又是如何處理請求的呢？我們前面有提到，worker進程之間是平等的，每個進程，處理請求的機會也是一樣的。當我們提供80埠的http服務時，一個連接請求過來，每個行程都有可能處理這個連接，怎麼做到的呢？

首先，每個worker行程都是從master行程fork過來，在master行程裡面，先建立好需要listen的socket（listenfd）之後，再fork出多個worker行程。所有worker進程的listenfd會在新連接到來時變得可讀，為確保只有一個進程處理該連接，所有worker進程在註冊listenfd讀取事件前搶accept_mutex，搶到互斥鎖的那個進程註冊listenfd讀取事件，在讀取事件裡呼叫accept接受該連線。

當一個worker進程在accept這個連接之後，就開始讀取請求，解析請求，處理請求，產生資料後，再返回給客戶端，最後才斷開連接，這樣一個完整的請求就是這樣的了。我們可以看到，一個請求，完全由worker進程來處理，而且只在一個worker進程中處理。

多執行緒模型 VS 多進程模型，這是個問題！

那麼，nginx採用這種進程模型有什麼好處呢？當然，好處一定會很多了。首先，對於每個worker進程來說，獨立的進程，不需要加鎖，所以省掉了鎖帶來的開銷，同時在程式設計以及問題查找時，也會方便很多。其次，採用獨立的進程，可以讓互相之間不會影響，一個進程退出後，其它進程還在工作，服務不會中斷，master進程則很快啟動新的worker進程。當然，worker進程的異常退出，肯定是程式有bug了，異常退出，會導致目前worker上的所有請求失敗，不過不會影響到所有請求，所以降低了風險。當然，好處還有很多，大家可以慢慢體會。

上面講了很多關於nginx的進程模型，接下來，我們來看看nginx是如何處理事件的。

有人可能要問了，nginx採用多worker的方式來處理請求，每個worker裡面只有一個主線程，那能夠處理的並發數很有限啊，多少個worker就能處理多少個並發，何來高並發呢？非也，這就是nginx的高明之處，nginx採用了非同步非阻塞的方式來處理請求，也就是說，nginx是可​​以同時處理成千上萬個請求的。

想想apache的常用工作方式（apache也有異步非阻塞版本，但因其與自帶某些模組衝突，所以不常用），每個請求會獨佔一個工作線程，當並發數上到幾千時，就同時有幾千的線程在處理請求了。這對作業系統來說，是個不小的挑戰，執行緒帶來的記憶體佔用非常大，執行緒的上下文切換帶來的cpu開銷很大，自然效能就上不去了，而這些開銷完全是沒有意義的。

同步阻塞 VS 非同步非阻塞

為什麼nginx可以採用非同步非阻塞的方式來處理呢，或是非同步非阻塞到底是怎麼回事呢？我們先回到原點，看看一個請求的完整過程。首先，請求過來，要建立連接，然後再接收數據，接收數據後，再發送數據。具體到系統底層，就是讀寫事件，而當讀寫事件沒有準備好時，必然不可操作，如果不用非阻塞的方式來調用，那就得阻塞調用了，事件沒有準備好，那就只能等了，等事件準備好了，你再繼續吧。阻塞呼叫會進入核心等待，cpu就會讓出去給別人用了，對單線程的worker來說，顯然不合適，當網路事件越多時，大家都在等待呢，cpu空閒下來沒人用，cpu利用率自然上不去了，更別談高並發了。

好吧，你說加進程數，這跟apache的執行緒模型有什麼差別，注意，別增加無謂的上下文切換。所以，在nginx裡面，最忌諱阻塞的系統呼叫了。不要阻塞，那就非阻塞嘍。非阻塞就是，事件還沒準備好，馬上回到EAGAIN，告訴你，事件還沒準備好呢，你慌什麼，過會再來吧。好吧，你過一會，再來檢查一下事件，直到事件準備好了為止，在這期間，你就可以先去做其它事情，然後再來看看事件好了沒。雖然不阻塞了，但你得不時地過來檢查一下事件的狀態，你可以做更多的事情了，但帶來的開銷也是不小的。所以，才會有了非同步非阻塞的事件處理機制，具體到系統呼叫就是像select/poll/epoll/kqueue這樣的系統呼叫。

它們提供了一種機制，讓你可以同時監控多個事件，調用他們是阻塞的，但可以設定超時時間，在超時時間之內，如果有事件準備好了，就返回。這個機制正好解決了我們上面的兩個問題，拿epoll為例(在後面的例子中，我們多以epoll為例子，以代表這一類函數)，當事件沒準備好時，放到epoll裡面，事件準備好了，我們就去讀寫，當讀寫返回EAGAIN時，我們將它再次加入到epoll裡面。這樣，只要有事件準備好了，我們就去處理它，只有當所有事件都沒準備好時，才在epoll裡面等著。這樣，我們就可以並發處理大量的並發了，當然，這裡的並發請求，是指未處理完的請求，線程只有一個，所以同時能處理的請求當然只有一個了，只是在請求間進行不斷地切換而已，切換也是因為非同步事件未準備好，而主動讓出的。這裡的切換是沒有任何代價，你可以理解為循環處理多個準備好的事件，事實上就是這樣的。

與多線程相比，這種事件處理方式是有很大的優勢的，不需要創建線程，每個請求佔用的內存也很少，沒有上下文切換，事件處理非常的輕量級級。並發數再多也不會導致無謂的資源浪費（上下文切換）。更多的並發數，只是會佔用更多的記憶體而已。我之前有對連線數進行過測試，在24G記憶體的機器上，處理的並發請求數達到200萬。現在的網頁伺服器基本上都採用這種方式，這也是nginx效能高效的主要原因。

我們之前說過，推薦設定worker的個數為cpu的核數，在這裡就很容易理解了，更多的worker數，只會導致進程來競爭cpu資源了，從而帶來不必要的上下文切換。

而且，nginx為了更好的利用多核心特性，提供了cpu親緣性的綁定選項，我們可以將某一個進程綁定在某一個核上，這樣就不會因為進程的切換帶來cache的失效。像這種小的優化在nginx中非常常見，同時也說明了nginx作者的苦心孤詣。例如，nginx在做4個位元組的字串比較時，會將4個字元轉換成一個int型，再作比較，以減少cpu的指令數等等。

現在，知道了nginx為什麼會選擇這樣的行程模型與事件模型了。對於一個基本的web伺服器來說，事件通常有三種類型，網路事件、訊號、定時器。從上面的講解中知道，網路事件透過非同步非阻塞可以很好的解決掉。如何處理訊號與定時器？

首先，訊號的處理。

對nginx來說，有一些特定的訊號，代表著特定的意義。訊號會中斷掉程式目前的運行，改變狀態後，繼續執行。如果是系統調用，則可能會導致系統調用的失敗，需要重入。關於訊號的處理，大家可以學習一些專業書籍，這裡不多說。對於nginx來說，如果nginx正在等待事件（epoll_wait時），如果程式收到訊號，在訊號處理函數處理完後，epoll_wait會回傳錯誤，然後程式可再次進入epoll_wait呼叫。

另外，再來看看定時器。由於epoll_wait等函數在呼叫的時候是可以設定一個超時時間的，所以nginx借助這個超時時間來實現定時器。 nginx裡面的定時器事件是放在一顆維護定時器的紅黑樹裡面，每次在進入epoll_wait前，先從該紅黑樹裡面拿到所有定時器事件的最小時間，在計算出epoll_wait的超時時間後進入epoll_wait。

所以，當沒有事件產生，也沒有中斷訊號時，epoll_wait會超時，也就是說，計時器事件到了。這時，nginx會檢查所有的逾時事件，將他們的狀態設為超時，然後再去處理網路事件。由此可以看出，當我們寫nginx程式碼時，在處理網路事件的回呼函數時，通常做的第一個事情就是判斷超時，然後再去處理網路事件。

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