Nginx的工作原理

1.Nginx的模塊與工作原理

Nginx由內(nèi)核和模塊組成爽待，其中鉴象，內(nèi)核的設(shè)計非常微小和簡潔抑胎，完成的工作也非常簡單梨撞，僅僅通過查找配置文件將客戶端請求映射到一個location block（location是Nginx配置中的一個指令雹洗，用于URL匹配），而在這個location中所配置的每個指令將會啟動不同的模塊去完成相應(yīng)的工作卧波。

例圖

Nginx的模塊從結(jié)構(gòu)上分為核心模塊时肿、基礎(chǔ)模塊和第三方模塊：

核心模塊：HTTP模塊、EVENT模塊和MAIL模塊

基礎(chǔ)模塊：HTTP Access模塊港粱、HTTP FastCGI模塊螃成、HTTP Proxy模塊和HTTP Rewrite模塊旦签，

第三方模塊：HTTP Upstream Request Hash模塊、Notice模塊和HTTP Access Key模塊寸宏。

用戶根據(jù)自己的需要開發(fā)的模塊都屬于第三方模塊宁炫。正是有了這么多模塊的支撐，Nginx的功能才會如此強大氮凝。

Nginx的模塊從功能上分為如下三類羔巢。

Handlers（處理器模塊）。此類模塊直接處理請求罩阵，并進行輸出內(nèi)容和修改headers信息等操作竿秆。Handlers處理器模塊一般只能有一個。

Filters （過濾器模塊）稿壁。此類模塊主要對其他處理器模塊輸出的內(nèi)容進行修改操作幽钢，最后由Nginx輸出。

Proxies （代理類模塊）傅是。此類模塊是Nginx的HTTP Upstream之類的模塊匪燕，這些模塊主要與后端一些服務(wù)比如FastCGI等進行交互，實現(xiàn)服務(wù)代理和負載均衡等功能喧笔。

下圖展示了Nginx模塊常規(guī)的HTTP請求和響應(yīng)的過程帽驯。

Nginx工作流程

Nginx本身做的工作實際很少，當(dāng)它接到一個HTTP請求時溃斋，它僅僅是通過查找配置文件將此次請求映射到一個location block 界拦，因此location中所配置的各個指令則會啟動不同的模塊去完成工作，因此模塊可以看做Nginx真正的勞動工作者梗劫。通常一個location中的指令會涉及一個handler模塊和多個filter模塊（當(dāng)然享甸，多個location可以復(fù)用同一個模塊）。handler模塊負責(zé)處理請求梳侨，完成響應(yīng)內(nèi)容的生成蛉威，而filter模塊對響應(yīng)內(nèi)容進行處理。

Nginx的模塊直接被編譯進Nginx走哺，因此屬于靜態(tài)編譯方式蚯嫌。啟動Nginx后，Nginx的模塊被自動加載丙躏，不像Apache择示，首先將模塊編譯為一個so文件，然后在配置文件中指定是否進行加載晒旅。在解析配置文件時栅盲，Nginx的每個模塊都有可能去處理某個請求，但是同一個處理請求只能由一個模塊來完成废恋。

2.Nginx的進程模型

在工作方式上谈秫，Nginx分為單工作進程和多工作進程兩種模式扒寄。在單工作進程模式下，除主進程外拟烫，還有一個工作進程该编，工作進程是單線程的；在多工作進程模式下硕淑，每個工作進程包含多個線程课竣。Nginx默認為單工作進程模式。

Nginx在啟動后喜颁，會有一個master進程和多個worker進程稠氮。

master進程

主要用來管理worker進程，包含：接收來自外界的信號半开，向各worker進程發(fā)送信號，監(jiān)控worker進程的運行狀態(tài)赃份，當(dāng)worker進程退出后(異常情況下)寂拆，會自動重新啟動新的worker進程。

master進程充當(dāng)整個進程組與用戶的交互接口抓韩，同時對進程進行監(jiān)護纠永。它不需要處理網(wǎng)絡(luò)事件，不負責(zé)業(yè)務(wù)的執(zhí)行谒拴，只會通過管理worker進程來實現(xiàn)重啟服務(wù)尝江、平滑升級、更換日志文件英上、配置文件實時生效等功能炭序。

我們要控制nginx，只需要通過kill向master進程發(fā)送信號就行了苍日。比如kill -HUP pid惭聂，則是告訴nginx，從容地重啟nginx相恃，我們一般用這個信號來重啟nginx辜纲，或重新加載配置，因為是從容地重啟拦耐，因此服務(wù)是不中斷的耕腾。master進程在接收到HUP信號后是怎么做的呢？首先master進程在接到信號后杀糯，會先重新加載配置文件扫俺，然后再啟動新的worker進程，并向所有老的worker進程發(fā)送信號火脉，告訴他們可以光榮退休了牵舵。新的worker在啟動后柒啤，就開始接收新的請求，而老的worker在收到來自master的信號后畸颅，就不再接收新的請求担巩，并且在當(dāng)前進程中的所有未處理完的請求處理完成后，再退出没炒。當(dāng)然涛癌，直接給master進程發(fā)送信號，這是比較老的操作方式送火，nginx在0.8版本之后拳话，引入了一系列命令行參數(shù)，來方便我們管理种吸。比如弃衍，./nginx -s reload，就是來重啟nginx坚俗，./nginx -s stop镜盯，就是來停止nginx的運行。如何做到的呢猖败？我們還是拿reload來說速缆，我們看到，執(zhí)行命令時恩闻，我們是啟動一個新的nginx進程艺糜，而新的nginx進程在解析到reload參數(shù)后，就知道我們的目的是控制nginx來重新加載配置文件了幢尚，它會向master進程發(fā)送信號破停，然后接下來的動作，就和我們直接向master進程發(fā)送信號一樣了侠草。

worker進程：

而基本的網(wǎng)絡(luò)事件辱挥，則是放在worker進程中來處理了。多個worker進程之間是對等的边涕，他們同等競爭來自客戶端的請求晤碘，各進程互相之間是獨立的。一個請求功蜓，只可能在一個worker進程中處理园爷，一個worker進程，不可能處理其它進程的請求式撼。worker進程的個數(shù)是可以設(shè)置的童社，一般我們會設(shè)置與機器cpu核數(shù)一致，這里面的原因與nginx的進程模型以及事件處理模型是分不開的著隆。

worker進程之間是平等的扰楼，每個進程呀癣，處理請求的機會也是一樣的。當(dāng)我們提供80端口的http服務(wù)時弦赖，一個連接請求過來项栏，每個進程都有可能處理這個連接，怎么做到的呢蹬竖？首先沼沈，每個worker進程都是從master進程fork過來，在master進程里面币厕，先建立好需要listen的socket（listenfd）之后列另，然后再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旦装，為保證只有一個進程處理該連接页衙，所有worker進程在注冊listenfd讀事件前搶accept_mutex，搶到互斥鎖的那個進程注冊listenfd讀事件同辣，在讀事件里調(diào)用accept接受該連接拷姿。當(dāng)一個worker進程在accept這個連接之后，就開始讀取請求旱函，解析請求，處理請求描滔，產(chǎn)生數(shù)據(jù)后棒妨，再返回給客戶端，最后才斷開連接含长，這樣一個完整的請求就是這樣的了券腔。我們可以看到，一個請求拘泞，完全由worker進程來處理纷纫，而且只在一個worker進程中處理。worker進程之間是平等的陪腌，每個進程辱魁，處理請求的機會也是一樣的。當(dāng)我們提供80端口的http服務(wù)時诗鸭，一個連接請求過來染簇，每個進程都有可能處理這個連接，怎么做到的呢强岸？首先锻弓，每個worker進程都是從master進程fork過來，在master進程里面蝌箍，先建立好需要listen的socket（listenfd）之后青灼，然后再fork出多個worker進程暴心。所有worker進程的listenfd會在新連接到來時變得可讀，為保證只有一個進程處理該連接杂拨，所有worker進程在注冊listenfd讀事件前搶accept_mutex专普，搶到互斥鎖的那個進程注冊listenfd讀事件，在讀事件里調(diào)用accept接受該連接扳躬。當(dāng)一個worker進程在accept這個連接之后脆诉，就開始讀取請求，解析請求贷币，處理請求击胜，產(chǎn)生數(shù)據(jù)后，再返回給客戶端役纹，最后才斷開連接偶摔，這樣一個完整的請求就是這樣的了。我們可以看到促脉，一個請求辰斋，完全由worker進程來處理，而且只在一個worker進程中處理瘸味。

nginx的進程模型宫仗，可以由下圖來表示：

3.什么是FastCGI

FastCGI是一個可伸縮地、高速地在HTTP server和動態(tài)腳本語言間通信的接口旁仿。多數(shù)流行的HTTP server都支持FastCGI藕夫，包括Apache、Nginx和lighttpd等枯冈。同時毅贮，F(xiàn)astCGI也被許多腳本語言支持，其中就有PHP尘奏。

FastCGI是從CGI發(fā)展改進而來的滩褥。

CGI工作原理和缺點：

每次HTTP服務(wù)器遇到動態(tài)程序時都需要重新啟動腳本解析器來執(zhí)行解析，然后將結(jié)果返回給HTTP服務(wù)器炫加。

這在處理高并發(fā)訪問時幾乎是不可用的瑰煎。另外傳統(tǒng)的CGI接口方式安全性也很差，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用了琢感。

FastCGI工作原理和優(yōu)點：

FastCGI接口方式采用C/S結(jié)構(gòu)丢间，可以將HTTP服務(wù)器和腳本解析服務(wù)器分開，同時在腳本解析服務(wù)器上啟動一個或者多個腳本解析守護進程驹针。當(dāng)HTTP服務(wù)器每次遇到動態(tài)程序時烘挫，可以將其直接交付給FastCGI進程來執(zhí)行，然后將得到的結(jié)果返回給瀏覽器。

這種方式可以讓HTTP服務(wù)器專一地處理靜態(tài)請求或者將動態(tài)腳本服務(wù)器的結(jié)果返回給客戶端饮六，這在很大程度上提高了整個應(yīng)用系統(tǒng)的性能其垄。

另外fastCGI程序與CGI程序與服務(wù)器的交互方式也不同

CGI程序通過環(huán)境變量、命令行卤橄、標準輸入輸出進行交互绿满，因此CGI程序進程必須與服務(wù)器進程在同一臺物理計算機上，而fastCGI程序與服務(wù)器進程通過網(wǎng)絡(luò)連接交互窟扑，因此fastCGI程序可以分布在不同的計算機上喇颁，這不但可以提高性能，同時也提高了系統(tǒng)的擴展能力嚎货。

4.什么是PHP-fpm

PHP-FPM是管理FastCGI的一個管理器橘霎，它作為PHP的插件存在，在安裝PHP要想使用PHP-FPM時在老php的老版本（php5.3.3之前）就需要把PHP-FPM以補丁的形式安裝到PHP中殖属，而且PHP要與PHP-FPM版本一致姐叁，這是必須的）

PHP-FPM是FastCGI的實現(xiàn)，任何實現(xiàn)了FastCGI協(xié)議的Web Server都能夠與之通信洗显。FPM之于標準的FastCGI外潜，也提供了一些增強功能，具體可以參考官方文檔：PHP: FPM Installation挠唆。

FPM是一個PHP進程管理器处窥，包含master進程和worker進程兩種進程：master進程只有一個，負責(zé)監(jiān)聽端口玄组，接收來自Web Server的請求碧库，而worker進程則一般有多個(具體數(shù)量根據(jù)實際需要配置)，每個進程內(nèi)部都嵌入了一個PHP解釋器巧勤，是PHP代碼真正執(zhí)行的地方，下圖是我本機上fpm的進程情況弄匕，1一個master進程颅悉，3個worker進程：

1一個master進程，3個worker進程

從FPM接收到請求迁匠，到處理完畢剩瓶，其具體的流程如下：

1.FPM的master進程接收到請求

2.master進程根據(jù)配置指派特定的worker進程進行請求處理，如果沒有可用進程城丧，返回錯誤延曙，這也是我們配合Nginx遇到502錯誤比較多的原因。

3.worker進程處理請求亡哄，如果超時枝缔，返回504錯誤

4.請求處理結(jié)束，返回結(jié)果

5.FastCGI子進程接著等待并處理來自FastCGI進程管理器（運行在 WebServer中）的下一個連接

4.那么Nginx，PHP-fpm和FastCGI是怎么的運行流程呢愿卸？

Nginx不支持對外部程序的直接調(diào)用或者解析灵临，所有的外部程序（包括PHP）必須通過FastCGI接口來調(diào)用。FastCGI接口在Linux下是socket（這個socket可以是文件socket趴荸，也可以是ip socket）儒溉。

1)、FastCGI進程管理器php-fpm自身初始化发钝，啟動主進程php-fpm和啟動start_servers個CGI 子進程顿涣。

主進程php-fpm主要是管理fastcgi子進程，監(jiān)聽9000（這個根據(jù)配置文件的監(jiān)聽端口改變而變）端口酝豪。

fastcgi子進程等待來自Web Server的連接涛碑。

2)、當(dāng)客戶端請求到達Web Server Nginx是時寓调，Nginx通過location指令锌唾，將所有以php為后綴的文件都交給127.0.0.1:9000來處理，即Nginx通過location指令夺英，將所有以php為后綴的文件都交給127.0.0.1:9000來處理晌涕。

3）FastCGI進程管理器PHP-FPM選擇并連接到一個子進程CGI解釋器。Web server將CGI環(huán)境變量和標準輸入發(fā)送到FastCGI子進程痛悯。

4)余黎、FastCGI子進程完成處理后將標準輸出和錯誤信息從同一連接返回Web Server。當(dāng)FastCGI子進程關(guān)閉連接時载萌，請求便告處理完成惧财。

5)、FastCGI子進程接著等待并處理來自FastCGI進程管理器（運行在 WebServer中）的下一個連接扭仁。

以上流程是根據(jù)下方配置文件來說明：

PHP-FPM的默認配置php-fpm.conf：

listen_address ?127.0.0.1:9000 #這個表示php的fastcgi進程監(jiān)聽的ip地址以及端口

start_servers

min_spare_servers

max_spare_servers

Nginx配置運行php：編輯nginx.conf加入如下語句：

location ~ \.php$ {

root html;

fastcgi_pass 127.0.0.1:9000;指定了fastcgi進程偵聽的端口,nginx就是通過這里與php交互的

fastcgi_index index.php;

include fastcgi_params;

fastcgi_param SCRIPT_FILENAME?? /usr/local/nginx/html$fastcgi_script_name;

}

Nginx通過location指令垮衷，將所有以php為后綴的文件都交給127.0.0.1:9000來處理，而這里的IP地址和端口就是FastCGI進程監(jiān)聽的IP地址和端口乖坠。

參考：

http://www.reibang.com/p/d0b858ed5030

http://www.reibang.com/p/a51a2d70e096

如有不正確之處搀突，麻煩指出改正。謝謝~