作者：NingG1
http://ningg.top/nginx-series-principle/
Nginx 以其高性能搔驼，穩(wěn)定性谈火，豐富的功能，簡(jiǎn)單的配置和低資源消耗而聞名舌涨。本文從底層原理分析 Nginx 為什么這么快糯耍！
Nginx 的進(jìn)程模型
Nginx 服務(wù)器，正常運(yùn)行過程中：
多進(jìn)程：一個(gè) Master 進(jìn)程囊嘉、多個(gè) Worker 進(jìn)程温技。
Master 進(jìn)程：管理 Worker 進(jìn)程。對(duì)外接口：接收外部的操作（信號(hào)）哗伯；對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)：根據(jù)外部的操作的不同荒揣，通過信號(hào)管理 Worker；監(jiān)控：監(jiān)控 Worker 進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)焊刹，Worker 進(jìn)程異常終止后，自動(dòng)重啟 Worker 進(jìn)程恳蹲。
Worker 進(jìn)程：所有 Worker 進(jìn)程都是平等的虐块。實(shí)際處理：網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，由 Worker 進(jìn)程處理嘉蕾。Worker 進(jìn)程數(shù)量：在 nginx.conf 中配置贺奠，一般設(shè)置為核心數(shù)，充分利用 CPU 資源错忱，同時(shí)儡率，避免進(jìn)程數(shù)量過多挂据，避免進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng) CPU 資源，增加上下文切換的損耗儿普。
思考：
請(qǐng)求是連接到 Nginx崎逃，Master 進(jìn)程負(fù)責(zé)處理和轉(zhuǎn)發(fā)？
如何選定哪個(gè) Worker 進(jìn)程處理請(qǐng)求眉孩？請(qǐng)求的處理結(jié)果个绍，是否還要經(jīng)過 Master 進(jìn)程？
HTTP 連接建立和請(qǐng)求處理過程
HTTP 連接建立和請(qǐng)求處理過程如下：
Nginx 啟動(dòng)時(shí)浪汪，Master 進(jìn)程巴柿，加載配置文件。
Master 進(jìn)程死遭，初始化監(jiān)聽的 Socket广恢。
Master 進(jìn)程，F(xiàn)ork 出多個(gè) Worker 進(jìn)程呀潭。
Worker 進(jìn)程钉迷，競(jìng)爭(zhēng)新的連接，獲勝方通過三次握手蜗侈，建立 Socket 連接篷牌，并處理請(qǐng)求。
Nginx 高性能踏幻、高并發(fā)
Nginx 為什么擁有高性能并且能夠支撐高并發(fā)枷颊？
Nginx 采用多進(jìn)程+異步非阻塞方式（IO 多路復(fù)用 Epoll）。
請(qǐng)求的完整過程：建立連接→讀取請(qǐng)求→解析請(qǐng)求→處理請(qǐng)求→響應(yīng)請(qǐng)求该面。
請(qǐng)求的完整過程對(duì)應(yīng)到底層就是：讀寫 Socket 事件夭苗。
Nginx 的事件處理模型
Request：Nginx 中 HTTP 請(qǐng)求。基本的 HTTP Web Server 工作模式：
接收請(qǐng)求：逐行讀取請(qǐng)求行和請(qǐng)求頭隔缀，判斷段有請(qǐng)求體后题造，讀取請(qǐng)求體。
處理請(qǐng)求猾瘸。
返回響應(yīng)：根據(jù)處理結(jié)果界赔，生成相應(yīng)的 HTTP 請(qǐng)求（響應(yīng)行、響應(yīng)頭牵触、響應(yīng)體）淮悼。
Nginx 也是這個(gè)套路，整體流程一致：
模塊化體系結(jié)構(gòu)
Nginx 的模塊根據(jù)其功能基本上可以分為以下幾種類型：
①event module：搭建了獨(dú)立于操作系統(tǒng)的事件處理機(jī)制的框架揽思，及提供了各具體事件的處理袜腥。包括 ngx_events_module，ngx_event_core_module 和 ngx_epoll_module 等钉汗。
Nginx 具體使用何種事件處理模塊羹令，這依賴于具體的操作系統(tǒng)和編譯選項(xiàng)鲤屡。
②phase handler：此類型的模塊也被直接稱為 handler 模塊。主要負(fù)責(zé)處理客戶端請(qǐng)求并產(chǎn)生待響應(yīng)內(nèi)容福侈，比如 ngx_http_static_module 模塊酒来，負(fù)責(zé)客戶端的靜態(tài)頁(yè)面請(qǐng)求處理并將對(duì)應(yīng)的磁盤文件準(zhǔn)備為響應(yīng)內(nèi)容輸出。
③output filter：也稱為 filter 模塊癌刽，主要是負(fù)責(zé)對(duì)輸出的內(nèi)容進(jìn)行處理役首，可以對(duì)輸出進(jìn)行修改。
例如显拜，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的所有 html 頁(yè)面增加預(yù)定義的 footbar 一類的工作衡奥，或者對(duì)輸出的圖片的 URL 進(jìn)行替換之類的工作。
④upstream：upstream 模塊實(shí)現(xiàn)反向代理的功能远荠，將真正的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務(wù)器上矮固，并從后端服務(wù)器上讀取響應(yīng)，發(fā)回客戶端譬淳。
upstream 模塊是一種特殊的 handler档址，只不過響應(yīng)內(nèi)容不是真正由自己產(chǎn)生的，而是從后端服務(wù)器上讀取的邻梆。
⑤load-balancer：負(fù)載均衡模塊守伸，實(shí)現(xiàn)特定的算法，在眾多的后端服務(wù)器中浦妄，選擇一個(gè)服務(wù)器出來作為某個(gè)請(qǐng)求的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器尼摹。
常見問題剖析
Nginx vs Apache
Nginx：
IO 多路復(fù)用，Epoll（freebsd 上是 kqueue）
高性能
高并發(fā)
占用系統(tǒng)資源少
Apache：
阻塞+多進(jìn)程/多線程
更穩(wěn)定剂娄，Bug 少
模塊更豐富
參考文章：
http://www.oschina.net/translate/nginx-vs-apache
https://www.zhihu.com/question/19571087
Nginx 最大連接數(shù)
基礎(chǔ)背景：
Nginx 是多進(jìn)程模型蠢涝，Worker 進(jìn)程用于處理請(qǐng)求。
單個(gè)進(jìn)程的連接數(shù)（文件描述符 fd）阅懦，有上限（nofile）：ulimit -n和二。
Nginx 上配置單個(gè) Worker 進(jìn)程的最大連接數(shù)：worker_connections 上限為 nofile。
Nginx 上配置 Worker 進(jìn)程的數(shù)量：worker_processes耳胎。
因此惯吕，Nginx 的最大連接數(shù)：
Nginx 的最大連接數(shù)：Worker 進(jìn)程數(shù)量 x 單個(gè) Worker 進(jìn)程的最大連接數(shù)。
上面是 Nginx 作為通用服務(wù)器時(shí)怕午，最大的連接數(shù)混埠。
Nginx 作為反向代理服務(wù)器時(shí)，能夠服務(wù)的最大連接數(shù)：（Worker 進(jìn)程數(shù)量 x 單個(gè) Worker 進(jìn)程的最大連接數(shù)）/ 2诗轻。
Nginx 反向代理時(shí)，會(huì)建立 Client 的連接和后端 Web Server 的連接揭北，占用 2 個(gè)連接扳炬。
思考：
每打開一個(gè) Socket 占用一個(gè) fd吏颖？
為什么，一個(gè)進(jìn)程能夠打開的 fd 數(shù)量有限制恨樟？
HTTP 請(qǐng)求和響應(yīng)
HTTP 請(qǐng)求：
-
請(qǐng)求行：method半醉、uri、http version
-
請(qǐng)求頭
-
請(qǐng)求體
HTTP 響應(yīng)：
-
響應(yīng)行：http version劝术、status code
-
響應(yīng)頭
-
響應(yīng)體
IO 模型
處理多個(gè)請(qǐng)求時(shí)缩多，可以采用：IO 多路復(fù)用或者阻塞 IO+多線程：
IO 多路復(fù)用：一個(gè)線程，跟蹤多個(gè) Socket 狀態(tài)养晋，哪個(gè)就緒衬吆，就讀寫哪個(gè)。
阻塞 IO+多線程：每一個(gè)請(qǐng)求绳泉，新建一個(gè)服務(wù)線程逊抡。
IO 多路復(fù)用和多線程的適用場(chǎng)景？
IO 多路復(fù)用：?jiǎn)蝹€(gè)連接的請(qǐng)求處理速度沒有優(yōu)勢(shì)零酪。
大并發(fā)量：只使用一個(gè)線程冒嫡，處理大量的并發(fā)請(qǐng)求，降低上下文環(huán)境切換損耗四苇，也不需要考慮并發(fā)問題孝凌，相對(duì)可以處理更多的請(qǐng)求。
消耗更少的系統(tǒng)資源（不需要線程調(diào)度開銷）月腋。
適用于長(zhǎng)連接的情況（多線程模式長(zhǎng)連接容易造成線程過多蟀架，造成頻繁調(diào)度）。
阻塞 IO +多線程：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單罗售，可以不依賴系統(tǒng)調(diào)用辜窑。
每個(gè)線程，都需要時(shí)間和空間寨躁。
線程數(shù)量增長(zhǎng)時(shí)穆碎，線程調(diào)度開銷指數(shù)增長(zhǎng)。
select/poll 和 epoll 比較如下：
詳細(xì)內(nèi)容职恳，參考：
select/poll 系統(tǒng)調(diào)用：
// select 系統(tǒng)調(diào)用
int select(int maxfdp,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *errorfds,struct timeval *timeout);
// poll 系統(tǒng)調(diào)用
int poll(struct pollfd fds[], nfds_t nfds, int timeout)所禀；
select：
查詢 fd_set 中，是否有就緒的 fd放钦，可以設(shè)定一個(gè)超時(shí)時(shí)間色徘，當(dāng)有 fd (File descripter) 就緒或超時(shí)返回。
fd_set 是一個(gè)位集合操禀，大小是在編譯內(nèi)核時(shí)的常量褂策，默認(rèn)大小為 1024。
特點(diǎn)：連接數(shù)限制，fd_set 可表示的 fd 數(shù)量太小了斤寂；線性掃描：判斷 fd 是否就緒耿焊，需要遍歷一邊 fd_set；數(shù)據(jù)復(fù)制：用戶空間和內(nèi)核空間遍搞，復(fù)制連接就緒狀態(tài)信息罗侯。
poll：
解決了連接數(shù)限制：poll 中將 select 中的 fd_set 替換成了一個(gè) pollfd 數(shù)組，解決 fd 數(shù)量過小的問題溪猿。
數(shù)據(jù)復(fù)制：用戶空間和內(nèi)核空間钩杰，復(fù)制連接就緒狀態(tài)信息。
epoll诊县，event 事件驅(qū)動(dòng)：
事件機(jī)制：避免線性掃描讲弄，為每個(gè) fd，注冊(cè)一個(gè)監(jiān)聽事件翎冲，fd 變更為就緒時(shí)垂睬，將 fd 添加到就緒鏈表。
fd 數(shù)量：無限制（OS 級(jí)別的限制抗悍，單個(gè)進(jìn)程能打開多少個(gè) fd）驹饺。
select，poll缴渊，epoll：
I/O 多路復(fù)用的機(jī)制赏壹。
I/O 多路復(fù)用就通過一種機(jī)制，可以監(jiān)視多個(gè)描述符衔沼，一旦某個(gè)描述符就緒（一般是讀就緒或者寫就緒）蝌借，能夠通知程序進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作；監(jiān)視多個(gè)文件描述符指蚁。
但 select菩佑，poll，epoll 本質(zhì)上都是同步 I/O：用戶進(jìn)程負(fù)責(zé)讀寫（從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間）凝化，讀寫過程中稍坯，用戶進(jìn)程是阻塞的；異步 IO搓劫，無需用戶進(jìn)程負(fù)責(zé)讀寫瞧哟，異步 IO，會(huì)負(fù)責(zé)從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間枪向。
Nginx 的并發(fā)處理能力
關(guān)于 Nginx 的并發(fā)處理能力：并發(fā)連接數(shù)勤揩，一般優(yōu)化后，峰值能保持在 1~3w 左右秘蛔。（內(nèi)存和 CPU 核心數(shù)不同陨亡，會(huì)有進(jìn)一步優(yōu)化空間）傍衡。
