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浅谈Nginx服务器的内部核心架构设计

前言

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。 Nginx 是一个 Web 服务器，也可以用作反向代理，负载均衡器和 HTTP 缓存。

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

浅谈Nginx服务器的内部核心架构设计

正文

1. Nginx的整体架构

浅谈Nginx服务器的内部核心架构设计

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）或多个工作进程（ worker ）。主进程并不处理网络请求，主要负责调度工作进程，也就是图示的 3 项：加载配置、启动工作进程及非停升级。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

服务器实际处理网络请求及响应的是工作进程（ worker ），在类 unix 系统上， Nginx可以配置多个 worker ，而每个 worker 进程都可以同时处理数以千计的网络请求。

1.3. 模块化设计

Nginx 的 worker 进程，包括核心和功能性模块，核心模块负责维持一个运行循环（ run-loop ），执行网络请求处理的不同阶段的模块功能，比如：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。而其代码的模块化设计，也使得我们可以根据需要对功能模块进行适当的选择和修改，编译成具有特定功能的服务器。

1.4. 事件驱动模型

基于异步及非阻塞的事件驱动模型，可以说是 Nginx 得以获得高并发、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 性能增强功能的采用，如 kqueue 、 epoll 及 event ports 。

1.5. 代理（proxy）设计

代理设计，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 等的网络请求或响应，本质上都采用了代理机制。所以， Nginx 天生就是高性能的代理服务器。

2. Nginx的模块化设计

高度模块化的设计是 Nginx 的架构基础。 Nginx 服务器被分解为多个模块，每个模块就是一个功能模块，只负责自身的功能，模块之间严格遵循 “高内聚，低耦合” 的原则。

浅谈Nginx服务器的内部核心架构设计

2.1. 核心模块

核心模块是 Nginx 服务器正常运行必不可少的模块，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模块

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

2.3. 可选HTTP模块

可选 HTTP 模块主要用于扩展标准的 HTTP 功能，让 Nginx 能处理一些特殊的服务，比如： 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. 邮件服务模块

邮件服务模块主要用于支持 Nginx 的邮件服务，包括对 POP3 协议、 IMAP 协议和 SMTP协议的支持。

2.5. 第三方模块

第三方模块是为了扩展 Nginx 服务器应用，完成开发者自定义功能，比如： Json 支持、 Lua 支持等。

3. Nginx的请求方式处理

Nginx 是一个高性能的 Web 服务器，能够同时处理大量的并发请求。它结合多进程机制和异步机制，异步机制使用的是异步非阻塞方式，接下来就给大家介绍一下 Nginx 的多线程机制和异步非阻塞机制。

3.1. 多进程机制

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

使用进程的好处是各个进程之间相互独立，不需要加锁，减少了使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，采用独立的进程，可以让进程互相之间不会影响，如果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，在资源和时间上会产生一定的开销。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

每个工作进程使用异步非阻塞方式，可以处理多个客户端请求。

当某个工作进程接收到客户端的请求以后，调用 IO 进行处理，如果不能立即得到结果，就去处理其他请求（即为非阻塞）；而客户端在此期间也无需等待响应，可以去处理其他事情（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，暂时挂起当前处理的事务去响应客户端请求。

4. Nginx事件驱动模型

在 Nginx 的异步非阻塞机制中，工作进程在调用 IO 后，就去处理其他的请求，当 IO 调用返回后，会通知该工作进程。对于这样的系统调用，主要使用 Nginx 服务器的事件驱动模型来实现。

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如上图所示， Nginx 的事件驱动模型由事件收集器、事件发送器和事件处理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 事件发送到事件处理器；
事件处理器：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处理事件列表，使用非阻塞 I/O 方式调用事件处理器来处理该请求。其处理方式称为 “多路 IO 复用方法” ，常见的包括以下三种： select 模型、 poll模型、 epoll 模型。

5. Nginx进程处理模型

Nginx 服务器使用 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 循环来接收和处理外部信号；
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和处理。

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 资源和进程切换的开销。而且 Nginx 为了更好的利用多核特性，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，这样就不会因为进程的切换带来 Cache 的失效。

对于每个请求，有且只有一个工作进程对其处理。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，然后再 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处理该连接，所有 worker 进程在注册 listenfd 读事件前抢占 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，处理请求，产生数据后，再返回给客户端，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 进程来处理，而且只在一个 worker 进程中处理。

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