Nginx 架构

1. Nginx 进程模型

Nginx 默认采用多进程工作方式，在 Nginx 启动后，会运行一个 master 进程和多个 worker 进程。

master 主要用来管理 worker 进程，充当整个进程组与用户的交互接口，同时对进程进行监护，实现 worker 进程的重启服务、平滑升级、更换日志文件、配置文件实时生效等功能；

worker 进程用来处理基本的网络事件，worker 之间是平等的，他们共同竞争来处理来自客户端的请求。一个请求只能在一个 worker 进程中处理，一个 worker 进程不可能处理其它 worker 进程中的请求。

另外在 Nginx 架构中还有 Cache Loader 和 Cache Manager 进程，Cache Loader 进程加载缓存索引文件信息；Cache Manager 进程管理磁盘的缓存大小，超过预定值大小后最小使用的数据将被删除。

1.1 Master 管理进程

Master 进程主要用来管理 worker 进程，具体包括如下 4 个主要功能：

• 接收来自外界的信号；

• 向各 worker 进程发送信号；

• 监控 worker 进程的运行状态；

• 当 worker 进程退出后（异常情况下），会自动重新启动新的 worker 进程。

Master 进程接受到命令重启 Nginx 进程（./nginx -s reload），会按照以下流程：

首先 master 进程在收到重启命令后，会先重新加载配置文件，然后再启动新的 worker 进程，并向所有老的 worker 进程发送信号，告诉他们可以光荣退休了。

新的 worker 进程在启动后，就开始接收新的请求，而老的 worker 在收到来自 master 的信号后，就不再接收新的请求，并且处理完当前进程中的所有未处理完的请求后，再退出。

1.2 Worker 工作进程

Worker 工作进程之间是对等的，每个进程处理请求的机会也是一样的。Nginx 采用异步非阻塞的方式来处理网络事件，具体流程如下：

1. 接收请求：首先，每个 worker 进程都是从 master 进程 fork 过来，在 master 进程建立好需要 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，每个 work 进程都可以去 accept 这个 socket（listenfd）。

   • 当一个 client 连接到来时，所有 accept 的 work 进程都会受到通知，但只有一个进程可以 accept 成功，其它的则会 accept 失败。

   • 为保证只有一个进程处理该连接，Nginx 提供了一把共享锁 accept_mutex 来保证同一时刻只有一个 work 进程在 accept 连接。

   • 所有 worker 进程在注册 listenfd 读事件前抢 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。

2. 处理请求：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。

由上可以看出，一个请求完全由 worker 进程处理，并且只在一个 worker 进程中处理。

2. Nginx 请求处理流程

Nginx 工作进程会监听套接字上的事件（accept_mutex和kernel socketsharding），来决定什么时候开始工作。事件是由新的连接初始化的，这些连接会被分配给状态机，Nginx 中有三大类状态机：处理应用层的 HTTP 状态机、处理 TCP/UDP 的 4 层的传输层状态机和处理邮件的 MAIL 状态机，其中 HTTP 状态机最为常见。

在多种流量进入 Nginx 后，Nginx 的三种状态机在 Nginx 解析出请求后，会动用线程池处理调用，将静态资源、反向代理、错误日志等信息分别导向不同的出口，比如 fastcgi 会导向 PHP 处理、html 会导向 nginx 处理，并将处理请求日志记录到本地或远程服务器中。

3. Nginx 多进程 IO 模型

3.1 Nginx 多进程模型

Nginx 默认使用多进程的工作方式，相比较多线程的方式，有以下好处：

1. 首先，对于每个 worker 进程来说，独立的进程不需要加锁，所以省掉了锁带来的开销，同时在编程以及问题查找时，也会方便很多；

2. 其次，采用独立的进程，可以让进程之间相互不会影响，一个进程退出后，其它进程还在工作，服务也不会中断，master 进程则很快启动新的 worker 进程；

3. 再次，为 Nginx 热部署提供了支持。在修改配置文件 nginx.conf 后，重新生成新的 worker 进程，新的 worker 进程会以新的配置处理请求，而老的 worker 进程，等把以前的请求处理完成以后，kill 掉就可以。

3.2 Nginx 异步非阻塞事件模型

异步非阻塞事件是怎么回事？先看一个请求的完整过程，首先请求过来建立连接，然后再接收数据再发送数据，具体到系统层就是 IO 读写事件。当读写事件没有准备好，如果不采用非阻塞的方式，就得阻塞调用，阻塞调用会进入内核等待，导致 CPU 资源被其它进程占用。当并发请求越大时，等待的事件越多，CPU 利用不上去，并发也上不去。因此 Nginx 使用非阻塞的事件模型，系统中事件模型有很多中，比如 select/poll/kqueue/epoll 等，Nginx 采用 epoll 模型。Epoll 模型基于事件驱动机制，可以监控多个事件是否准备完毕，如果可以，就放入 epoll 队列，这个过程是异步的，worker 进程只需要从 epoll 队列循环处理即可。Epoll 调用过程如下图所示：