Nginx 多进程连接请求/事件分发流程分析

Nginx使用多进程的方法进行任务处理，每个worker进程只有一个线程，单线程循环处理全部监听的事件。本文重点分析一下多进程间的负载均衡问题以及Nginx多进程事件处理流程，方便大家自己写程序的时候借鉴。

一、监听建立流程

整个建立监听socket到accept的过程如下图：

说明：

1.main里面调用ngx_init_cycle(src/core/ngx_cycle.c),ngx_init_cycle里面完成很多基本的配置，如文件，共享内存，socket等。

2.上图左上角是ngx_init_cycle里面调用的ngx_open_listening_sockets(src/core/ngx_connection.c)主要完成的工作，包括基本的创建socket，setsockopt，bind和listen等。

3.然后是正常的子进程生成过程。在每个子worker进程的ngx_worker_process_cycle中，在调用ngx_worker_process_init里面调用各模块的初始化操作init_process。一epoll module为例，这里调用ngx_event_process_init，里面初始化多个NGX_EVENT_MODULE类型的module.NGX_EVENT_MODULE类型的只有ngx_event_core_module和ngx_epoll_module。前一个module的actions部分为空。ngx_epoll_module里面的init函数就是ngx_epoll_init。ngx_epoll_init函数主要完成epoll部分相关的初始化，包括epoll_create,设置ngx_event_actions等。

4.初始化完ngx_epoll_module，继续ngx_event_process_init，然后循环设置每个listening socket的read handler为ngx_event_accept.最后将每个listening socket的READ事件添加到epoll进行等待。

5.ngx_event_process_init初始化完成后，每个worker process开始循环处理events&timers。最终调用的是epoll_wait。由于之前listening socket以及加入到epoll，所以如果监听字有read消息，那么久调用rev->handler进行处理，监听字的handler之前已经设置为ngx_event_accept。ngx_event_accept主要是调用accept函数来接受新的客户端套接字client socket。

下面是监听字的处理函数ngx_event_accept流程图：

说明：

1.前半部分主要是通过accept接受新连接字，生成并设置相关结构，然后添加到epoll中。

2.后半部分调用connection中的listening对应的handler，即ngx_xxx_init_connection，其中xxx可以是mail，http和stream。顾名思义，该函数主要是做新的accepted连接字的初始化工作。上图以http module为例，初始化设置了连接字的read handler等。

二、负载均衡问题

Nginx里面通过一个变量ngx_accept_disabled来实施进程间获取客户端连接请求的负载均衡策略。ngx_accept_disabled使用流程图：

说明：

1.ngx_process_events_and_timers函数中，通过ngx_accept_disabled的正负判断当前进程负载高低（大于0，高负载；小于0，低负载）。如果低负载时，不做处理，进程去申请accept锁，监听并接受新的连接。

2.如果是高负载时，ngx_accept_disabled就发挥作用了。这时，不去申请accept锁，让出监听和接受新连接的机会。同时ngx_accept_disabled减1，表示通过让出一次accept申请的机会，该进程的负载将会稍微减轻，直到ngx_accept_disabled最后小于0，重新进入低负载的状态，开始新的accept锁竞争。

参考链接：http://www.jb51.net/article/52177.htm

三、“惊群”问题

“惊群”问题：多个进程同时监听一个套接字，当有新连接到来时，会同时唤醒全部进程，但只能有一个进程与客户端连接成功，造成资源的浪费。

Nginx通过进程间共享互斥锁ngx_accept_mutex来控制多个worker进程对公共监听套接字的互斥访问，获取锁后调用accept取出与客户端已经建立的连接加入epoll，然后释放互斥锁。

Nginx处理流程示意图：

说明：

1.ngx_accept_disabled作为单个进程负载较高（最大允许连接数的7/8）的标记，计算公式：

ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n/8 - ngx_cycle->free_connection_n;

即进程可用连接数free_connection_n小于总连接数connection_n的1/8时ngx_accept_disabled大于0；否则小于0.或者说ngx_accept_disabled小于0时，表示可用连接数较多，负载较低；ngx_accept_disabled大于0时，说明可用连接数较少，负载较高。

2.如果进程负载较低时，即ngx_accept_disabled 小于0，进程允许竞争accept锁。

3.如果进程负载较高时，放弃竞争accept锁，同时ngx_accept_disabled 减1，即认为由于让出一次竞争accept锁的机会，负载稍微减轻（ngx_accept_disabled 小于0可用）。由于负载较高时（ngx_accept_disabled >0）只是将ngx_accept_disabled 减1，这里不申请accept锁，所以后续的accept函数会遭遇“惊群”问题，返回错误errno=EAGAIN，直接返回（个人觉得这里有改进的空间，见补充部分）。

ngx_process_events_and_timers函数部分代码如下：

 if (ngx_use_accept_mutex) {
         if (ngx_accept_disabled > ) {
             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;
                 }
             }
         }
     }

4.如果竞争加锁失败（6-7行），直接返回，返回到ngx_worker_process_cycle的for循环里面，此次不参与事件处理，进行下一次循环。

5.如果竞争加锁成功，设置NGX_POST_EVENTS标记，表示将事件先放入队列中，稍后处理，优先释放ngx_accept_mutex，防止单个进程过多占用锁时间，影响事件处理效率。ngx_epoll_process_events函数有如下部分（写事件wev部分也一样）：

 if (flags & NGX_POST_EVENTS) {
     queue = rev->accept ? &ngx_posted_accept_events
                         : &ngx_posted_events;

     ngx_post_event(rev, queue);//先将event放入队列，稍后处理

 } else {
     rev->handler(rev);
 }

6.从ngx_epoll_process_events返回ngx_process_events_and_timers，然后是处理accept事件（下面代码10行）；处理完accept事件，马上释放锁（下面代码13-15行），给其他进程机会去监听连接事件。最后处理一般的连接事件。

 delta = ngx_current_msec;

 (void) ngx_process_events(cycle, timer, flags);

 delta = ngx_current_msec - delta;

 ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, ,
                    "timer delta: %M", delta);

 ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_accept_events);//这里处理ngx_process_events 里面post的accept事件

 //处理完accept事件，马上释放锁
 if (ngx_accept_mutex_held) {
     ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
 }

 //在处理一般的connection事件之前，先处理超时。
 if (delta) {
     ngx_event_expire_timers();
 }

 //处理普通的connection事件请求
 ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_events);

7.在处理accept事件时，handler是ngx_event_accept（src/event/ngx_event_accept.c）,在这个函数里面，每accept一个新的连接，就更新ngx_accept_disabled。

 do {
 ...
 //接受新连接
 accept();
 ...
 //更新ngx_accept_disabled
 ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n /
                               - ngx_cycle->free_connection_n;

 ...

 }while(ev->available)

补充：

ngx_accept_disabled 减1这条路径很明显没有申请accept锁，所以后面的epoll_wait和accept函数会出现“惊群”问题。建议按如下图改进：

说明：

添加红色框步骤，在负载过高时，ngx_accept_disabled 减1进行均衡操作同时，将accept事件从当前进程epoll中清除。这样epoll当前循环只处理自己的普通connection事件。当然，左侧路径可能执行多次，ngx_disable_accept_events操作只需要执行一次即可。

如果过了一段时间，该进程负载降低，进入右侧路径，在申请accept锁的函数中ngx_trylock_accept_mutex中，申请加锁成功后，会调用ngx_enable_accept_events将accept事件再次加入到epoll中，这样就可以监听accept事件和普通connection事件了。

以上补充部分为个人理解，有错误之处，欢迎指正。

四、多进程（每个进程单线程）高效的原因

一点思考：

1.master/worker多进程模式，保证了系统的稳定。master对多个worker子进程和其他子进程的管理比较方便。由于一般worker进程数与cpu内核数一致，所以不存在大量的子进程生成和管理任务，避免了大量子进程的数据IPC共享开销和切换竞争开销。各worker进程之间也只是重复拷贝了监听字，除了父子进程间传递控制消息，基本没有IPC需求。

2.每个worker单线程，不存在大量线程的生成和同步开销。

以上两个方面都使Nginx避免了过多的同步、竞争、切换和IPC数据传递，即尽可能把cpu从不必要的计算开销中解放出来，只专注于业务计算和流程处理。

解放了CPU之后，就是内存的高效操作了。像cache_manager_process，内存池ngx_pool_t等等。还有可以设置进程的affinity来绑定cpu单个内核等。

这样的模型更简单，大连接量扩展性更好。

“伟大的东西，总是简单的”，此言不虚。

注：引用本人文章请注明出处，谢谢。