ginx-原理和架构

nginx

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发布日期: 2020-11-18

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Nginx

Nginx 是一个免费的，开源的，高性能的 HTTP 服务器和反向代理，以及 IMAP / POP3 代理服务器;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。

简单来说，Nginx 具有以下几个优点：

1.高并发，高性能
2.可扩展性好
3.高可靠，一年之中停机时间可能只有几秒
4.热部署，可以不重启升级
5.灵活性高，采用BSD 许可证

BSD开源协议是一个给予使用者者很大自由的协议。基本上使用者可以”为所欲为”,可以自由的使用，修改源代码，也可以将修改后的代码作为开源或者专有软件再发布

背景

Nginx 出现的背景是由于互联网的快速普及导致数据量的快速增长，同时催生出了海量的连接。传统的 Apache 等服务器采用的是单进程模型, 这意味着，每处理一个请求就会创建一个进程，这不但存在进程创建的开销，而且进程之间相互切换产生的上下文开销也非常耗费 CPU 资源，导致这种传统的服务器在面对成千上万的并发连接时，性能非常低下，而这是快速发展的互联网所不能够忍受的。

在这种背景下，Nginx 采用的是进程池和 epoll 处理模型，这二者加起来使得 Nginx 的性能非常优异，一台 32 核的机器上可以支撑数千万的并发连接。

Nginx - 整体架构

Nginx 里有一个 master 进程和多个 worker 进程。

master 进程并不处理网络请求，主要负责调度工作进程：加载配置、启动工作进程及非停升级。
worker 进程负责处理网络请求与响应。

master进程主要用来管理worker进程，具体包括如下4个主要功能：

1.接收来自外界的信号。
2.向各worker进程发送信号。
3.监控woker进程的运行状态。
4.当woker进程退出后（异常情况下），会自动重新启动新的woker进程。

woker进程主要用来处理基本的网络事件：

1.多个worker进程之间是对等且相互独立的，他们同等竞争来自客户端的请求。
2.一个请求，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。
3.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。 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。

Nginx - 模块化设计

高度模块化的设计是 Nginx 的架构基础。
Openresty 就是在 Nginx 上引入了 lua 等第三方模块，使得扩展更加方便了。

Nginx - 状态机

Nginx 对外提供服务时，主要有三种流量会到达 Nginx：WEB、EMAIL、TCP 流量。这三种流量到达 Nginx 后，会分别由传输层状态机、应用层状态机、MAIL 状态机来处理。当内存不足以缓存所有的静态资源时，会退化成阻塞的磁盘调用，这个时候需要一个线程池来处理，对于每一个处理完的请求记录访问日志和错误日志，日志也是记录到磁盘中的。

Nginx - 进程结构

Nginx 有四种进程：

1.Master 进程。Master 进程是父进程，其他进程都是子进程，Master 进程对 worker 进程进行管理
2.worker 进程。worker 进程有多个，是负责处理具体的请求的。Nginx 为什么采用多进程而不是多线程的进程结构呢？是因为 Nginx 要保证高可用性，多线程之间会共享地址空间，当某一个第三方模块引发了一个段错误时，就会导致整个 Nginx 进程挂掉。而采用多进程模型不会出现这个问题
cache manager 和 cache loader 进程。缓存除了要被多个 worker 进程使用，也要被 cache 进程使用，cache loader 做缓存的载入，cache manager 做缓存的管理，实际上每一个请求所使用的缓存还是由 worker 进程来进行的。这些进程间的通信都是通过共享内存来进行的

为什么 worker 进程需要很多个？

这是因为，Nginx 采用了事件驱动的模型后，它期望 worker 进程可以从头到尾占满一颗 CPU，这样可以更加高效的利用整颗 CPU，提高 CPU 的缓存命中率，另外还可以将 worker 进程与某一个 CPU 核绑定在一起。