搞定Nginx高并发原理：多进程单线程和多路IO复用模型

一时失言乱红尘 2023-06-16 08:13 16阅读 0赞

Nginx现在是非常火爆的web服务器，她使用更少的资源，支持更多的并发连接数，她实现了linux的epoll模型，能够支持高达 50,000 个并发连接数的响应。Nginx采用的是多进程单线程和多路IO复用模型。使用了I/O多路复用技术的Nginx，就成了”并发事件驱动“的服务器。这里再强调下重点，

*  **多进程单线程**
 *  **多路IO复用模型**

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### 一、多进程单线程 ###

Nginx 自己实现了对epoll的封装，是多进程单线程的典型代表。使用多进程模式，不仅能提高并发率，而且进程之间是相互独立的，一 个worker进程挂了不会影响到其他worker进程。

**master进程管理worker进程：**

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。

注意worker进程数，一般会设置成机器cpu核数。因为更多的worker只会导致进程之间相互竞争cpu，从而带来不必要的上下文切换。

### 二、IO多路复用模型epoll ###

多路复用，允许我们只在事件发生时才将控制返回给程序，而其他时候内核都挂起进程，随时待命。

epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统（文件系统一般用B+树数据结构来实现），其工作流程分为三部分：

1.  调用 int epoll\_create(int size)建立一个epoll对象，内核会创建一个eventpoll结构体，用于存放通过epoll\_ctl()向epoll对象中添加进来的事件，这些事件都会挂载在红黑树中。
2.  调用 int epoll\_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll\_event \*event) 在 epoll 对象中为 fd 注册事件，所有添加到epoll中的事件都会与设备驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时会调用这个sockfd的回调方法，将sockfd添加到eventpoll 中的双链表。
3.  调用 int epoll\_wait(int epfd, struct epoll\_event \* events, int maxevents, int timeout) 来等待事件的发生，timeout 为 -1 时，该调用会阻塞知道有事件发生。

注册好事件之后，只要有fd上事件发生，epoll\_wait()就能检测到并返回给用户，用户执行阻塞函数时就不会发生阻塞了。

epoll()在中内核维护一个链表，epoll\_wait直接检查链表是不是空就知道是否有文件描述符准备好了。顺便提一提，epoll与select、poll相比最大的优点是不会随着sockfd数目增长而降低效率，使用select()时，内核采用轮训的方法来查看是否有fd准备好，其中的保存sockfd的是类似数组的数据结构fd\_set，key 为 fd，value为0或者1（发生时间）。

能达到这种效果，是因为在内核实现中epoll是根据每 sockfd 上面的与设备驱动程序建立起来的回调函数实现的。那么，某个sockfd上的事件发生时，与它对应的回调函数就会被调用，将这个sockfd加入链表，其他处于“空闲的”状态的则不会。在这点上，epoll 实现了一个"伪"AIO。

可以看出，因为一个进程里只有一个线程，所以一个进程同时只能做一件事，但是可以通过不断地切换来“同时”处理多个请求。

例子：Nginx 会注册一个事件：“如果来自一个新客户端的连接请求到来了，再通知我”，此后只有连接请求到来，服务器才会执行 accept() 来接收请求。又比如向上游服务器（比如 PHP-FPM）转发请求，并等待请求返回时，这个处理的 worker 不会在这阻塞，它会在发送完请求后，注册一个事件：“如果缓冲区接收到数据了，告诉我一声，我再将它读进来”，于是进程就空闲下来等待事件发生。

这样，基于 多进程+epoll， Nginx 便能实现高并发。

### 三、worker进程工作流程 ###

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，处理请求，产生数据后，再返回给客户端，最后才断开连接，一个完整的请求。一个请求，完全由worker进程来处理，而且只会在一个worker进程中处理。优点：

1.  节省锁带来的开销。每个worker进程都彼此独立地工作，不共享任何资源，因此不需要锁。同时在编程以及问题排查上时，也会方便很多。
2.  独立进程，减少风险。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。当然，worker进程自己也能发生意外退出。

### 四、对惊群效应的处理 ###

Nginx提供了一个accept\_mutex这个东西，这是一个加在accept上的一把互斥锁。即每个worker进程在执行accept()之前都需要先获取锁，accept()成功之后再解锁。有了这把锁，同一时刻，只会有一个进程执行accpet()，这样就不会有惊群问题了。accept\_mutex是一个可控选项，我们可以显示地关掉，默认是打开的。

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