Nginx架构及基本数据结构分析

回复 1024 有特别礼包

作者：cococo点点

来源：cnblogs.com/coder2012/p/3141469.html

上一篇：SpringBoot接口幂等性实现的4种方案！

　Nginx全程是什么？Nginx ("engine x") 是一个高性能的 HTTP 和 反向代理 服务器，也是一个 IMAP/POP3/SMTP 代理服务器。

daemon守护线程

　　nginx在启动后，在unix系统中会以daemon的方式在后台运行，后台进程包含一个master进程和多个worker进程。

　　当然nginx也是支持多线程的方式的，只是我们主流的方式还是多进程的方式，也是nginx的默认方式。

　　master进程主要用来管理worker进程，包含：接收来自外界的信号，向各worker进程发送信号，监控worker进程的运行状态，当worker进程退出后(异常情况下)，会自动重新启动新的worker进程。

　　worker进程则是处理基本的网络事件。多个worker进程之间是对等的，他们同等竞争来自客户端的请求，各进程互相之间是独立的。一个请求，只可能在一个worker进程中处理，一个worker进程，不可能处理其它进程的请求。

　　worker进程的个数是可以设置的，一般我们会设置与机器cpu核数一致。更多的worker数，只会导致进程来竞争cpu资源了，从而带来不必要的上下文切换。而且，nginx为了更好的利用多核特性，具有cpu绑定选项，我们可以将某一个进程绑定在某一个核上，这样就不会因为进程的切换带来cache的失效。

  惊群现象

　　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之后，然后再fork出多个worker进程，这样每个worker进程都可以去accept这个socket(当然不是同一个socket，只是每个进程的这个socket会监控在同一个ip地址与端口，这个在网络协议里面是允许的)。一般来说，当一个连接进来后，所有在accept在这个socket上面的进程，都会收到通知，而只有一个进程可以accept这个连接，其它的则accept失败。

相对于线程，采用进程的优点

　　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。

　　采用独立的进程，可以让互相之间不会影响，一个进程退出后，其它进程还在工作，服务不会中断，master进程则很快重新启动新的worker进程。

　　编程上更加容易。

  多线程的问题

　　而多线程在多并发情况下，线程的内存占用大，线程上下文切换造成CPU大量的开销。想想apache的常用工作方式（apache也有异步非阻塞版本，但因其与自带某些模块冲突，所以不常用），每个请求会独占一个工作线程，当并发数上到几千时，就同时有几千的线程在处理请求了。这对操作系统来说，是个不小的挑战，线程带来的内存占用非常大，线程的上下文切换带来的cpu开销很大，自然性能就上不去了，而这些开销完全是没有意义的。

异步非阻塞

　　异步的概念和同步相对的，也就是不是事件之间不是同时发生的。

　　非阻塞的概念是和阻塞对应的，阻塞是事件按顺序执行，每一事件都要等待上一事件的完成，而非阻塞是如果事件没有准备好，这个事件可以直接返回，过一段时间再进行处理询问，这期间可以做其他事情。但是，多次询问也会带来额外的开销。

　　总的来说，Nginx采用异步非阻塞的好处在于：

• 不需要创建线程，每个请求只占用少量的内存
• 没有上下文切换，事件处理非常轻量

　　淘宝tengine团队说测试结果是“24G内存机器上，处理并发请求可达200万”。

connection

　　在src/core文件夹下包含有connection的源文件，Ngx_connection.h/Ngx_connection.c中可以找到SOCK_STREAM，也就是说Nginx是基于TCP连接的。

连接过程

　　对于应用程序,首先第一步肯定是加载并解析配置文件，Nginx同样如此，这样可以获得需要监听的端口和IP地址。之后，Nginx就要创建master进程，并建立socket，这样就可以创建多个worker进程来，每个worker进程都可以accept连接请求。当通过三次握手成功建立一个连接后，nginx的某一个worker进程会accept成功，得到这个建立好的连接的socket，然后创建ngx_connection_t结构体，存储客户端相关内容。

　　这样建立好连接后，服务器和客户端就可以正常进行读写事件了。连接完成后就可以释放掉ngx_connection_t结构体了。

　　同样，Nginx也可以作为客户端，这样就需要先创建一个ngx_connection_t结构体，然后创建socket，并设置socket的属性（ 比如非阻塞）。然后再通过添加读写事件，调用connect/read/write来调用连接，最后关掉连接，并释放ngx_connection_t。

struct ngx_connection_s {
    void               *data;
    ngx_event_t        *read;
    ngx_event_t        *write;

    ngx_socket_t        fd;

    ngx_recv_pt         recv;
    ngx_send_pt         send;
    ngx_recv_chain_pt   recv_chain;
    ngx_send_chain_pt   send_chain;

    ngx_listening_t    *listening;

    off_t               sent;

    ngx_log_t          *log;

    ngx_pool_t         *pool;

    struct sockaddr    *sockaddr;
    socklen_t           socklen;
    ngx_str_t           addr_text;

#if (NGX_SSL)
    ngx_ssl_connection_t  *ssl;
#endif

    struct sockaddr    *local_sockaddr;

    ngx_buf_t          *buffer;

    ngx_queue_t         queue;
    ngx_atomic_uint_t   number;
    ngx_uint_t          requests;
    unsigned            buffered:8;
    unsigned            log_error:3;     /* ngx_connection_log_error_e */
    unsigned            unexpected_eof:1;
    unsigned            timedout:1;
    unsigned            error:1;
    unsigned            destroyed:1;

    unsigned            idle:1;
    unsigned            reusable:1;
    unsigned            close:1;

    unsigned            sendfile:1;
    unsigned            sndlowat:1;
    unsigned            tcp_nodelay:2;   /* ngx_connection_tcp_nodelay_e */
    unsigned            tcp_nopush:2;    /* ngx_connection_tcp_nopush_e */

#if (NGX_HAVE_IOCP)
    unsigned            accept_context_updated:1;
#endif

#if (NGX_HAVE_AIO_SENDFILE)
    unsigned            aio_sendfile:1;
    ngx_buf_t          *busy_sendfile;
#endif

#if (NGX_THREADS)
    ngx_atomic_t        lock;
#endif
};

连接池

 　　在linux系统中，每一个进程能够打开的文件描述符fd是有限的，而每创建一个socket就会占用一个fd，这样创建的socket就会有限的。在Nginx中，采用连接池的方法，可以避免这个问题。

 　　Nginx在实现时，是通过一个连接池来管理的，每个worker进程都有一个独立的连接池，连接池的大小是worker_connections。这里的连接池里面保存的其实不是真实的连接，它只是一个worker_connections大小的一个ngx_connection_t结构的数组。并且，nginx会通过一个链表free_connections来保存所有的空闲ngx_connection_t，每次获取一个连接时，就从空闲连接链表中获取一个，用完后，再放回空闲连接链表里面（这样就节省了创建与销毁connection结构的开销）。

　　所以对于一个Nginx服务器来说,它所能创建的连接数也就是socket连接数目可以达到worker_processes（worker数）*worker_connections。

竞争问题

　　对于多个worker进程同时accpet时产生的竞争，有可能导致某一worker进程accept了大量的连接，而其他worker进程却没有几个连接，这样就导致了负载不均衡，对于负载重的worker进程中的连接响应时间必然会增大。很显然，这是不公平的，有的进程有空余连接，却没有处理机会，有的进程因为没有空余连接，却人为地丢弃连接。

　　nginx中存在accept_mutex选项，只有获得了accept_mutex的进程才会去添加accept事件，也就是说，nginx会控制进程是否添加accept事件。nginx使用一个叫ngx_accept_disabled的变量来控制进程是否去竞争accept_mutex锁。

ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n / 8 - ngx_cycle->free_connection_n; 
 //可以看出来随着空余连接的增加，disabled的值降低

if (ngx_use_accept_mutex) {
        if (ngx_accept_disabled > 0) {　　　　　　　　　　　//当disabled的值大于0时，禁止竞争，但每次-1
            ngx_accept_disabled--;
        } else {
            if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {
                return;
            }
　　　　　　　if (ngx_accept_mutex_held) {
                flags |= NGX_POST_EVENTS;
            } else {
                if (timer == NGX_TIMER_INFINITE
                    || timer > ngx_accept_mutex_delay) {
                    timer = ngx_accept_mutex_delay;
                }
            }
        }}

request

　　在nginx中，request是http请求，具体到nginx中的数据结构是ngx_http_request_t。ngx_http_request_t是对一个http请求的封装。 

在公众号编程技术圈后台回复“Java”，获取一份惊喜礼包。

struct ngx_http_request_s {
    uint32_t                          signature;         /* "HTTP" */

    ngx_connection_t                 *connection;

    void                            **ctx;
    void                            **main_conf;
    void                            **srv_conf;
    void                            **loc_conf;

    ngx_http_event_handler_pt         read_event_handler;
    ngx_http_event_handler_pt         write_event_handler;

#if (NGX_HTTP_CACHE)
    ngx_http_cache_t                 *cache;
#endif

    ngx_http_upstream_t              *upstream;
    ngx_array_t                      *upstream_states;
                                         /* of ngx_http_upstream_state_t */

    ngx_pool_t                       *pool;
    ngx_buf_t                        *header_in;

    ngx_http_headers_in_t             headers_in;
    ngx_http_headers_out_t            headers_out;

    ngx_http_request_body_t          *request_body;

    time_t                            lingering_time;
    time_t                            start_sec;
    ngx_msec_t                        start_msec;

    ngx_uint_t                        method;
    ngx_uint_t                        http_version;

    ngx_str_t                         request_line;
    ngx_str_t                         uri;
    ngx_str_t                         args;
    ngx_str_t                         exten;
    ngx_str_t                         unparsed_uri;

    ngx_str_t                         method_name;
    ngx_str_t                         http_protocol;

    ngx_chain_t                      *out;
    ngx_http_request_t               *main;
    ngx_http_request_t               *parent;
    ngx_http_postponed_request_t     *postponed;
    ngx_http_post_subrequest_t       *post_subrequest;
    ngx_http_posted_request_t        *posted_requests;

    ngx_int_t                         phase_handler;
    ngx_http_handler_pt               content_handler;
    ngx_uint_t                        access_code;

    ngx_http_variable_value_t        *variables;

#if (NGX_PCRE)
    ngx_uint_t                        ncaptures;
    int                              *captures;
    u_char                           *captures_data;
#endif

    size_t                            limit_rate;

    /* used to learn the Apache compatible response length without a header */
    size_t                            header_size;

    off_t                             request_length;

    ngx_uint_t                        err_status;

    ngx_http_connection_t            *http_connection;
#if (NGX_HTTP_SPDY)
    ngx_http_spdy_stream_t           *spdy_stream;
#endif

    ngx_http_log_handler_pt           log_handler;

    ngx_http_cleanup_t               *cleanup;

    unsigned                          subrequests:8;
    unsigned                          count:8;
    unsigned                          blocked:8;

    unsigned                          aio:1;

    unsigned                          http_state:4;

    /* URI with "/." and on Win32 with "//" */
    unsigned                          complex_uri:1;

    /* URI with "%" */
    unsigned                          quoted_uri:1;

    /* URI with "+" */
    unsigned                          plus_in_uri:1;

    /* URI with " " */
    unsigned                          space_in_uri:1;

    unsigned                          invalid_header:1;

    unsigned                          add_uri_to_alias:1;
    unsigned                          valid_location:1;
    unsigned                          valid_unparsed_uri:1;
    unsigned                          uri_changed:1;
    unsigned                          uri_changes:4;

    unsigned                          request_body_in_single_buf:1;
    unsigned                          request_body_in_file_only:1;
    unsigned                          request_body_in_persistent_file:1;
    unsigned                          request_body_in_clean_file:1;
    unsigned                          request_body_file_group_access:1;
    unsigned                          request_body_file_log_level:3;

    unsigned                          subrequest_in_memory:1;
    unsigned                          waited:1;

#if (NGX_HTTP_CACHE)
    unsigned                          cached:1;
#endif

#if (NGX_HTTP_GZIP)
    unsigned                          gzip_tested:1;
    unsigned                          gzip_ok:1;
    unsigned                          gzip_vary:1;
#endif

    unsigned                          proxy:1;
    unsigned                          bypass_cache:1;
    unsigned                          no_cache:1;

    /*
     * instead of using the request context data in
     * ngx_http_limit_conn_module and ngx_http_limit_req_module
     * we use the single bits in the request structure
     */
    unsigned                          limit_conn_set:1;
    unsigned                          limit_req_set:1;

#if 0
    unsigned                          cacheable:1;
#endif

    unsigned                          pipeline:1;
    unsigned                          chunked:1;
    unsigned                          header_only:1;
    unsigned                          keepalive:1;
    unsigned                          lingering_close:1;
    unsigned                          discard_body:1;
    unsigned                          internal:1;
    unsigned                          error_page:1;
    unsigned                          ignore_content_encoding:1;
    unsigned                          filter_finalize:1;
    unsigned                          post_action:1;
    unsigned                          request_complete:1;
    unsigned                          request_output:1;
    unsigned                          header_sent:1;
    unsigned                          expect_tested:1;
    unsigned                          root_tested:1;
    unsigned                          done:1;
    unsigned                          logged:1;

    unsigned                          buffered:4;

    unsigned                          main_filter_need_in_memory:1;
    unsigned                          filter_need_in_memory:1;
    unsigned                          filter_need_temporary:1;
    unsigned                          allow_ranges:1;

#if (NGX_STAT_STUB)
    unsigned                          stat_reading:1;
    unsigned                          stat_writing:1;
#endif

    /* used to parse HTTP headers */

    ngx_uint_t                        state;

    ngx_uint_t                        header_hash;
    ngx_uint_t                        lowcase_index;
    u_char                            lowcase_header[NGX_HTTP_LC_HEADER_LEN];

    u_char                           *header_name_start;
    u_char                           *header_name_end;
    u_char                           *header_start;
    u_char                           *header_end;

    /*
     * a memory that can be reused after parsing a request line
     * via ngx_http_ephemeral_t
     */

    u_char                           *uri_start;
    u_char                           *uri_end;
    u_char                           *uri_ext;
    u_char                           *args_start;
    u_char                           *request_start;
    u_char                           *request_end;
    u_char                           *method_end;
    u_char                           *schema_start;
    u_char                           *schema_end;
    u_char                           *host_start;
    u_char                           *host_end;
    u_char                           *port_start;
    u_char                           *port_end;

    unsigned                          http_minor:16;
    unsigned                          http_major:16;
};

HTTP

 　　这里需要复习下Http协议了。

　　http请求是典型的请求-响应类型的的网络协议，需要一行一行的分析请求行与请求头，以及输出响应行与响应头。

　　Request 消息分为3部分，第一部分叫请求行requset line， 第二部分叫http header, 第三部分是body. header和body之间有个空行。

　　Response消息的结构， 和Request消息的结构基本一样。同样也分为三部分，第一部分叫response line, 第二部分叫response header，第三部分是body. header和body之间也有个空行。

　　分别为Request和Response消息结构图：

处理流程

　　worker进程负责业务处理。在worker进程中有一个函数ngx_worker_process_cycle()，执行无限循环，不断处理收到的来自客户端的请求，并进行处理，直到整个nginx服务被停止。

　　一个HTTP Request的处理过程:　

1. 初始化HTTP Request（读取来自客户端的数据，生成HTTP Requst对象，该对象含有该请求所有的信息）。
2. 处理请求头。
3. 处理请求体。
4. 如果有的话，调用与此请求（URL或者Location）关联的handler
5. 依次调用各phase handler进行处理。

　　一个phase handler的执行过程：

1. 获取location配置。
2. 产生适当的响应。
3. 发送response header.
4. 发送response body.

　　这里直接上taobao团队的给出的Nginx流程图了。

　　从这个图中可以清晰的看到解析http消息每个部分的不同模块。

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keepalive长连接

　　长连接的定义：所谓长连接，指在一个连接上可以连续发送多个数据包，在连接保持期间，如果没有数据包发送，需要双方发链路检测包。

　　在这里，http请求是基于TCP协议之上的，所以建立需要三次握手，关闭需要四次握手。而http请求是请求应答式的，如果我们能知道每个请求头与响应体的长度，那么我们是可以在一个连接上面执行多个请求的，这就需要在请求头中指定content-length来表明body的大小。在http1.0与http1.1中稍有不同，具体情况如下：

对于http1.0协议来说，如果响应头中有content-length头，则以content-length的长度就可以知道body的长度了，
客户端在接收body时，就可以依照这个长度来接收数据，接收完后，就表示这个请求完成了。
而如果没有content-length头，则客户端会一直接收数据，直到服务端主动断开连接，才表示body接收完了。
而对于http1.1协议来说，如果响应头中的Transfer-encoding为chunked传输，则表示body是流式输出，body会被分成多个块，
每块的开始会标识出当前块的长度，此时，body不需要通过长度来指定。如果是非chunked传输，
而且有content-length，则按照content-length来接收数据。
否则，如果是非chunked，并且没有content-length，则客户端接收数据，直到服务端主动断开连接。

　　当客户端的一次访问，需要多次访问同一个server时，打开keepalive的优势非常大，比如图片服务器，通常一个网页会包含很多个图片。打开keepalive也会大量减少time-wait的数量。

pipeline管道线

 　　管道技术是基于长连接的，目的是利用一个连接做多次请求。

　　keepalive采用的是串行方式，而pipeline也不是并行的，但是它可以减少两个请求间的等待的事件。nginx在读取数据时，会将读取的数据放到一个buffer里面，所以，如果nginx在处理完前一个请求后，如果发现buffer里面还有数据，就认为剩下的数据是下一个请求的开始，然后就接下来处理下一个请求，否则就设置keepalive。

lingering_close延迟关闭

　　 当Nginx要关闭连接时，并非立即关闭连接，而是再等待一段时间后才真正关掉连接。目的在于读取客户端发来的剩下的数据。

　　如果服务器直接关闭，恰巧客户端刚发送消息，那么就不会有ACK，导致出现没有任何错误信息的提示。

　　Nginx通过设置一个读取客户数据的超时事件lingering_timeout来防止以上问题的发生。

Nginx中的数组

　　ngx_array_s是Nginx中的数组,原型为ngx_array_t。

typedef struct {
    void        *elts;           //指向数据的指针
    ngx_uint_t   nelts;          //数组中元素的个数
    size_t       size;　　　　　　 //数组中每个元素的大小
    ngx_uint_t   nalloc;　　　　　 //数据容量
    ngx_pool_t  *pool;　　　　　　 //用来分配内存的内存池
} ngx_array_t;

　　这里的数组已经远远超出了C语言中数据的概念，类似于Vector。

　　具体操作参见源码。

Nginx中的队列

　　ngx_queue_t是Nginx中的队列元素，原型为ngx_queue_s.

struct ngx_queue_s {
    ngx_queue_t  *prev;
    ngx_queue_t  *next;
};

　　具体操作参见源码。

Nginx中的链表

　　ngx_list_t是Nginx中的list结构。

typedef struct {
    ngx_list_part_t  *last;　　　　//链表最后节点
    ngx_list_part_t   part;       //链表首部节点
    size_t            size;　　　　//链表中存放具体元素的所需内存大小
    ngx_uint_t        nalloc;　　　//每个节点所含固定大小的数组容量
    ngx_pool_t       *pool;       //用于分配内存的内存池
} ngx_list_t;

　　ngx_list_part_t是Nginx中的List的元素结构。

struct ngx_list_part_s {
    void             *elts;　　　　//指向数据
    ngx_uint_t        nelts;　　　 //长度
    ngx_list_part_t  *next;
};

　　具体操作参见源码。

Nginx中的string--ngx_str_t

　　ngx_str_t为Nginx自身实现的string结构，与c中的字符串不同。

typedef struct {
    size_t      len;   //字符串长度
    u_char     *data;  //指向字符串的指针
} ngx_str_t;

 　　ngx_str_t包括两部分，一部分是字符串的长度，另外一部分是数据。注意：这里的数据是指向字符的一个指针，且这个字符串不是以“0”结尾，是通过长度来控制的。使用指针，省去了拷贝所占用的内存空间。

　　其他Nginx-String的操作可以看Nginx源码，还是蛮清晰的。

Ngnix中的内存分配和释放

　　在Ngnix中负责内存分配和释放的结构体为ngx_pool_t，它的原型为ngx_pool_s。

struct ngx_pool_s {
    ngx_pool_data_t       d;
    size_t                max;
    ngx_pool_t           *current;
    ngx_chain_t          *chain;
    ngx_pool_large_t     *large;
    ngx_pool_cleanup_t   *cleanup;
    ngx_log_t            *log;
};

　　具体操作参考源码。

Nginx中的Hash表

　　ngx_hash_t是Nginx中的hash表。

typedef struct {
    ngx_hash_elt_t  **buckets;
    ngx_uint_t        size;
} ngx_hash_t;

　　其中ngx_hash_elt_t为数据。

typedef struct {
    void             *value;　　　　//数据 value　　       
    u_short           len;         //数据长度？
    u_char            name[1];　　　//key
} ngx_hash_elt_t;

　　但是ngx_hash_t的实现又有其几个显著的特点:

1. ngx_hash_t不像其他的hash表的实现，可以插入删除元素，它只能一次初始化，就构建起整个hash表以后，既不能再删除，也不能在插入元素了。

2. ngx_hash_t的开链并不是真的开了一个链表，实际上是开了一段连续的存储空间，几乎可以看做是一个数组。这是因为ngx_hash_t在初始化的时候，会经历一次预计算的过程，提前把每个桶里面会有多少元素放进去给计算出来，这样就提前知道每个桶的大小了。那么就不需要使用链表，一段连续的存储空间就足够了。这也从一定程度上节省了内存的使用。

　　实际上ngx_hash_t的使用是非常简单，首先是初始化，然后就可以在里面进行查找了。

Nginx中的红黑树

　　ngx_rbtree_node_s是Nginx中的红黑树节点。

struct ngx_rbtree_node_s {
    ngx_rbtree_key_t       key;
    ngx_rbtree_node_t     *left;
    ngx_rbtree_node_t     *right;
    ngx_rbtree_node_t     *parent;
    u_char                 color;
    u_char                 data;
};

　　ngx_rbtree_s是Nginx中的红黑树。

struct ngx_rbtree_s {
    ngx_rbtree_node_t     *root;
    ngx_rbtree_node_t     *sentinel;
    ngx_rbtree_insert_pt   insert;
};

　　具体操作参见源码。

　　参考：http://tengine.taobao.org/book/#id2

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