淺談 Nginx 服務器的內部核心架構設計
作者：我最喜歡三大框架
來源：https://my.oschina.net/u/3906190/blog/1859060
前言
Nginx 是一個 免費的 ， 開源的 ， 高性能 的 HTTP 服務器和 反向代理 ，以及 IMAP / POP3代理服務器。 Nginx 以其高性能，穩定性，豐富的功能，簡單的配置和低資源消耗而聞名。 Nginx 是一個 Web 服務器，也可以用作 反向代理 ， 負載均衡器 和 HTTP 緩存 。
很多高知名度的網站都使用 Nginx ，如： Netflix ， GitHub ， SoundCloud ， MaxCDN 等。
正文
1. Nginx的整體架構
1.1. 主進程
Nginx 啓動時，會生成兩種類型的 進程 *，一個是 主進程 （ master ）， 一個 （ windows版本的目前只有一個）或 多個工作進程 （ worker ）。 主進程 並不處理網絡請求，主要負責 調度工作進程 ，也就是圖示的 3 項： 加載配置 、 啓動工作進程 及 非停升級 。所以， Nginx 啓動以後，查看操作系統的進程列表，我們就能看到 至少有兩個Nginx 進程。
1.2. 工作進程
服務器實際 處理網絡請求 及 響應 的是 工作進程 （ worker ），在類 unix 系統上， Nginx可以配置 多個 worker ，而每個 worker 進程 都可以同時處理 數以千計 的 網絡請求 。
1.3. 模塊化設計
Nginx 的 worker 進程，包括 核心 和 功能性模塊 ， 核心模塊 負責維持一個 運行循環 （ run-loop ），執行網絡請求處理的 不同階段 的模塊功能，比如： 網絡讀寫 、 存儲讀寫、 內容傳輸 、 外出過濾 ，以及 將請求發往上游服務器 等。而其代碼的 模塊化設計 ，也使得我們可以根據需要對 功能模塊 進行適當的 選擇 和 修改 ，編譯成具有 特定功能的服務器。
1.4. 事件驅動模型
基於 異步及非阻塞 的 事件驅動模型 ，可以說是 Nginx 得以獲得 高併發 、 高性能 的關鍵因素，同時也得益於對 Linux 、 Solaris 及類 BSD 等操作系統內核中 事件通知 及 I/O 性能增強功能 的採用，如 kqueue 、 epoll 及 event ports 。
1.5. 代理（proxy）設計
代理設計，可以說是 Nginx 深入骨髓的設計，無論是對於 HTTP ，還是對於 FastCGI 、 Memcache 、 Redis 等的網絡請求或響應，本質上都採用了 代理機制 。所以， Nginx 天生就是高性能的 代理服務器 。
2. Nginx的模塊化設計
高度模塊化的設計是 Nginx 的架構基礎。 Nginx 服務器被分解爲 多個模塊 ，每個模塊就是一個 功能模塊 ，只負責自身的功能，模塊之間嚴格遵循 “高內聚，低耦合” 的原則。
2.1. 核心模塊
核心模塊是 Nginx 服務器正常運行 必不可少 的模塊，提供 錯誤日誌記錄 、 配置文件解析 、 事件驅動機制 、 進程管理 等核心功能。
2.2. 標準HTTP模塊
標準 HTTP 模塊提供 HTTP 協議解析相關的功能，比如： 端口配置 、 網頁編碼設置 、 HTTP響應頭設置 等等。
2.3. 可選HTTP模塊
可選 HTTP 模塊主要用於 擴展 標準的 HTTP 功能，讓 Nginx 能處理一些特殊的服務，比如： Flash 多媒體傳輸 、解析 GeoIP 請求、 網絡傳輸壓縮 、 安全協議 SSL 支持等。
2.4. 郵件服務模塊
郵件服務模塊主要用於支持 Nginx 的 郵件服務 ，包括對 POP3 協議、 IMAP 協議和 SMTP協議的支持。
2.5. 第三方模塊
第三方模塊是爲了擴展 Nginx 服務器應用，完成開發者自定義功能，比如： Json 支持、 Lua 支持等。
3. Nginx的請求方式處理
Nginx 是一個 高性能 的 Web 服務器，能夠同時處理 大量的併發請求 。它結合 多進程機制和 異步機制 ，異步機制使用的是 異步非阻塞方式 ，接下來就給大家介紹一下 Nginx 的 多線程機制 和 異步非阻塞機制 。
3.1. 多進程機制
服務器每當收到一個客戶端時，就有 服務器主進程 （ master process ）生成一個 子進程（ worker process ）出來和客戶端建立連接進行交互，直到連接斷開，該子進程就結束了。
使用 進程 的好處是 各個進程之間相互獨立 ， 不需要加鎖 ，減少了使用鎖對性能造成影響，同時降低編程的複雜度，降低開發成本。其次，採用獨立的進程，可以讓 進程互相之間不會影響 ，如果一個進程發生異常退出時，其它進程正常工作， master 進程則很快啓動新的 worker 進程，確保服務不會中斷，從而將風險降到最低。
缺點是操作系統生成一個 子進程 需要進行 內存複製 等操作，在 資源 和 時間 上會產生一定的開銷。當有 大量請求 時，會導致 系統性能下降 。
3.2. 異步非阻塞機制
每個 工作進程 使用 異步非阻塞方式 ，可以處理 多個客戶端請求 。
當某個 工作進程 接收到客戶端的請求以後，調用 IO 進行處理，如果不能立即得到結果，就去 處理其他請求 （即爲 非阻塞 ）；而 客戶端 在此期間也 無需等待響應 ，可以去處理其他事情（即爲 異步 ）。
當 IO 返回時，就會通知此 工作進程 ；該進程得到通知，暫時 掛起 當前處理的事務去 響應客戶端請求 。
4. Nginx事件驅動模型
在 Nginx 的 異步非阻塞機制 中， 工作進程 在調用 IO 後，就去處理其他的請求，當 IO 調用返回後，會 通知 該 工作進程 。對於這樣的系統調用，主要使用 Nginx 服務器的 事件驅動模型 來實現。
如上圖所示， Nginx 的 事件驅動模型 由 事件收集器 、 事件發送器 和 事件處理器 三部分基本單元組成。
- 事件收集器：負責收集 worker 進程的各種 IO 請求；
- 事件發送器：負責將 IO 事件發送到 事件處理器 ；
- 事件處理器：負責各種事件的 響應工作 。
事件發送器將每個請求放入一個 待處理事件列表 ，使用非阻塞 I/O 方式調用 事件處理器來處理該請求。其處理方式稱爲 “多路 IO 複用方法” ，常見的包括以下三種： select 模型、 poll模型、 epoll 模型。
5. Nginx進程處理模型
Nginx 服務器使用 master/worker 多進程模式 。多線程啓動和執行的流程如下：
- 主程序 Master process 啓動後，通過一個 for 循環來 接收 和 處理外部信號 ；
- 主進程通過 fork() 函數產生 worker 子進程 ，每個 子進程 執行一個 for 循環來實現 Nginx 服務器 對事件的接收 和 處理 。
一般推薦 worker 進程數 與 CPU 內核數 一致，這樣一來不存在 大量的子進程 生成和管理任務，避免了進程之間 競爭 CPU 資源 和 進程切換 的開銷。而且 Nginx 爲了更好的利用 多核特性 ，提供了 CPU 親緣性 的綁定選項，我們可以將某 一個進程綁定在某一個核上，這樣就不會因爲 進程的切換 帶來 Cache 的失效。
對於每個請求，有且只有一個 工作進程 對其處理。首先，每個 worker 進程都是從 master進程 fork 過來。在 master 進程裏面，先建立好需要 listen 的 socket（listenfd） 之後，然後再 fork 出多個 worker 進程。
所有 worker 進程的 listenfd 會在 新連接 到來時變得 可讀 ，爲保證只有一個進程處理該連接，所有 worker 進程在註冊 listenfd 讀事件 前 搶佔 accept_mutex ，搶到 互斥鎖 的那個進程 註冊 listenfd 讀事件 ，在 讀事件 裏調用 accept 接受該連接。
當一個 worker 進程在 accept 這個連接之後，就開始 讀取請求 ， 解析請求 ， 處理請求，產生數據後，再 返回給客戶端 ，最後才 斷開連接 ，這樣一個完整的請求就是這樣的了。我們可以看到，一個請求，完全由 worker 進程來處理，而且只在一個 worker 進程中處理。
在 Nginx 服務器的運行過程中， 主進程 和 工作進程 需要進程交互。交互依賴於 Socket 實現的 管道 來實現。
5.1. 主進程與工作進程交互
這條管道與普通的管道不同，它是由 主進程 指向 工作進程 的 單向管道 ，包含主進程向工作進程發出的 指令 ， 工作進程 ID 等；同時 主進程 與外界通過 信號通信 ；每個 子進程 具備 接收信號 ，並處理相應的事件的能力。
5.2. 工作進程與工作進程交互
這種交互是和 主進程-工作進程 交互是基本一致的，但是會通過 主進程 間接完成。 工作進程之間是 相互隔離 的，所以當工作進程 W1 需要向工作進程 W2 發指令時，首先找到 W2 的 進程ID ，然後將正確的指令寫入指向 W2 的 通道 。 W2 收到信號採取相應的措施。
小結
通過這篇文章，我們對 Nginx 服務器的 整體架構 有了一個整體的認識。包括其 模塊化的設計、 多進程 和 異步非阻塞 的請求處理方式、 事件驅動模型 等。通過這些理論知識，才能更好地領悟 Nginx 的設計思想。對於我們學習 Nginx 來說有很大的幫助。
