浅谈Nginx服务器的内部核心架构设计

作者 : 开心源码 本文共3525个字,预计阅读时间需要9分钟 发布时间: 2022-05-12 共106人阅读

Nginx?是一个免费的开源的高性能的?HTTP?服务器和反向代理商,以及?IMAP?/?POP3代理商服务器。?Nginx?以其高性能,稳固性,丰富的功能,简单的配置和低资源消耗而闻名。?Nginx?是一个?Web?服务器,也可以使用作反向代理商负载均衡器和?HTTP缓存

很多高知名度的网站都用?Nginx?,如:?Netflix?,?GitHub?,?SoundCloud?,?MaxCDN?等。

替换高清大图

正文

1. Nginx的整体架构

1.1. 主进程

Nginx?启动时,会生成两种类型的进程*,一个是主进程(?master?),一个(?windows版本的目前只有一个)或者多个工作进程(?worker?)。主进程并不解决网络请求,主要负责调度工作进程,也就是图示的?3?项:加载配置启动工作进程非停更新。所以,?Nginx?启动以后,查看操作系统的进程列表,我们就能看到至少有两个Nginx?进程。

1.2. 工作进程

服务器实际解决网络请求响应的是工作进程(?worker?),在类?unix?系统上,?Nginx可以配置多个worker?,而每个?worker进程都可以同时解决数以千计网络请求

1.3. 板块化设计

Nginx?的?worker?进程,包括核心功能性板块核心板块负责维持一个运行循环(?run-loop?),执行网络请求解决的不同阶段的板块功能,比方:网络读写存储读写内容传输外出过滤,以及将请求发往上游服务器等。而其代码的板块化设计,也使得我们可以根据需要对功能板块进行适当的选择修改,编译成具备特定功能的服务器。

1.4. 事件驱动模型

基于异步及非阻塞事件驱动模型,可以说是?Nginx?得以取得高并发高性能的关键因素,同时也得益于对?Linux?、?Solaris?及类?BSD?等操作系统内核中事件通知及?I/O性能加强功能的采使用,如?kqueue?、?epoll?及?event ports?。

1.5. 代理商(proxy)设计

代理商设计,可以说是?Nginx?深入骨髓的设计,无论是对于?HTTP?,还是对于?FastCGI?、?Memcache?、?Redis?等的网络请求或者响应,本质上都采使用了代理商机制。所以,?Nginx?天生就是高性能的代理商服务器

2. Nginx的板块化设计

高度板块化的设计是?Nginx?的架构基础。?Nginx?服务器被分解为多个板块,每个板块就是一个功能板块,只负责自身的功能,板块之间严格遵循“高内聚,低耦合”的准则。

2.1. 核心板块

核心板块是?Nginx?服务器正常运行必不可少的板块,提供错误日志记录配置文件解析事件驱动机制进程管理等核心功能。

2.2. 标准HTTP板块

标准?HTTP?板块提供?HTTP?协议解析相关的功能,比方:端口配置网页编码设置、?HTTP响应头设置等等。

2.3. 可选HTTP板块

可选?HTTP?板块主要使用于扩展标准的?HTTP?功能,让?Nginx?能解决少量特殊的服务,比方:?Flash多媒体传输、解析?GeoIP?请求、网络传输压缩安全协议SSL?支持等。

2.4. 邮件服务板块

邮件服务板块主要使用于支持?Nginx?的邮件服务,包括对?POP3?协议、?IMAP?协议和?SMTP协议的支持。

2.5. 第三方板块

第三方板块是为了扩展?Nginx?服务器应使用,完成开发者自己设置功能,比方:?Json?支持、?Lua?支持等。

3. Nginx的请求方式解决

Nginx?是一个高性能的?Web?服务器,能够同时解决大量的并发请求。它结合多进程机制异步机制,异步机制用的是异步非阻塞方式,接下来就给大家详情一下?Nginx?的多线程机制异步非阻塞机制

3.1. 多进程机制

服务器每当收到一个用户端时,就有服务器主进程(?master process?)生成一个子进程(?worker process?)出来和用户端建立连接进行交互,直到连接断开,该子进程就结束了。

进程的好处是各个进程之间相互独立不需要加锁,减少了用锁对性能造成影响,同时降低编程的复杂度,降低开发成本。其次,采使用独立的进程,可以让进程互相之间不会影响,假如一个进程发生异常退出时,其它进程正常工作,?master?进程则很快启动新的?worker?进程,确保服务不会中断,从而将风险降到最低。

缺点是操作系统生成一个子进程需要进行内存复制等操作,在资源时间上会产生肯定的开销。当有大量请求时,会导致系统性能下降

3.2. 异步非阻塞机制

每个工作进程异步非阻塞方式,可以解决多个用户端请求

当某个工作进程接收到用户端的请求以后,调使用?IO?进行解决,假如不能立即得到结果,就去解决其余请求(即为非阻塞);而用户端在此期间也无需等待响应,可以去解决其余事情(即为异步)。

当?IO?返回时,就会通知此工作进程;该进程得到通知,暂时挂起当前解决的事务去响应用户端请求

4. Nginx事件驱动模型

在?Nginx?的异步非阻塞机制中,工作进程在调使用?IO?后,就去解决其余的请求,当?IO?调使用返回后,会通知工作进程。对于这样的系统调使用,主要用?Nginx?服务器的事件驱动模型来实现。

如上图所示,?Nginx?的事件驱动模型事件收集器事件发送器事件解决器三部分基本单元组成。

事件收集器:负责收集?worker?进程的各种?IO?请求;

事件发送器:负责将?IO?事件发送到事件解决器

事件解决器:负责各种事件的响应工作

事件发送器将每个请求放入一个待解决事件列表,用非阻塞?I/O?方式调使用事件解决器来解决该请求。其解决方式称为“多路 IO 复使用方法”,常见的包括以下三种:?select?模型、?poll模型、?epoll?模型。

5. Nginx进程解决模型

Nginx?服务器用?master/worker多进程模式。多线程启动和执行的流程如下:

主程序?Master process?启动后,通过一个?for?循环来接收解决外部信号

主进程通过?fork()?函数产生?worker子进程,每个子进程执行一个?for?循环来实现?Nginx?服务器对事件的接收解决

一般推荐?worker进程数与?CPU内核数一致,这样一来不存在大量的子进程生成和管理任务,避免了进程之间竞争CPU资源进程切换的开销。而且?Nginx?为了更好的利使用多核特性,提供了?CPU亲缘性的绑定选项,我们可以将某一个进程绑定在某一个核上,这样就不会由于进程的切换带来?Cache?的失效。

对于每个请求,有且只有一个工作进程对其解决。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,而后再?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解决该连接,所有?worker?进程在注册?listenfd读事件抢占accept_mutex?,抢到互斥锁的那个进程注册listenfd读事件,在读事件里调使用?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解决请求,产生数据后,再返回给用户端,最后才断开连接,这样一个完整的请求就是这样的了。我们可以看到,一个请求,完全由?worker?进程来解决,而且只在一个?worker?进程中解决。

在?Nginx?服务器的运行过程中,主进程工作进程需要进程交互。交互依赖于?Socket?实现的管道来实现。

5.1. 主进程与工作进程交互

这条管道与普通的管道不同,它是由主进程指向工作进程单向管道,包含主进程向工作进程发出的指令工作进程ID?等;同时主进程与外界通过信号通信;每个子进程具有接收信号,并解决相应的事件的能力。

5.2. 工作进程与工作进程交互

这种交互是和主进程-工作进程交互是基本一致的,但是会通过主进程间接完成。工作进程之间是相互隔离的,所以当工作进程?W1?需要向工作进程?W2?发指令时,首先找到?W2?的进程ID?,而后将正确的指令写入指向?W2?的通道。?W2?收到信号采取相应的措施。

小结

通过这篇文章,我们对?Nginx?服务器的整体架构有了一个整体的认识。包括其板块化的设计多进程异步非阻塞的请求解决方式、事件驱动模型等。通过这些理论知识,才能更好地领悟?Nginx?的设计思想。对于我们学习?Nginx?来说有很大的帮助。

说明
1. 本站所有资源来源于用户上传和网络,如有侵权请邮件联系站长!
2. 分享目的仅供大家学习和交流,您必须在下载后24小时内删除!
3. 不得使用于非法商业用途,不得违反国家法律。否则后果自负!
4. 本站提供的源码、模板、插件等等其他资源,都不包含技术服务请大家谅解!
5. 如有链接无法下载、失效或广告,请联系管理员处理!
6. 本站资源售价只是摆设,本站源码仅提供给会员学习使用!
7. 如遇到加密压缩包,请使用360解压,如遇到无法解压的请联系管理员
开心源码网 » 浅谈Nginx服务器的内部核心架构设计

发表回复