Nginx进阶篇 - nginx多进程架构详解

1. nginx的应用特点

Nginx是互联网企业使用最为广泛的轻量级高性能Web服务器，其特点是占用内存少、并发能力强。Nginx之所以被大家所喜爱，除了其高性能外，还有其优雅的系统架构。与Memcached的经典多线程模型相比，Nginx是经典的多进程模型。

在介绍Nginx应用特点前，首先介绍一下IO密集型和计算密集型:

• IO密集型就是指IO占主要任务，计算量很小，比如请求网页，读写文件。
• 计算密集型就是指CPU计算占主要任务，CPU一直处于满负荷状态，比如大循环计算。

而Nginx本质上是一个Web Server，Web Server的作用是解析HTTP请求返回静态数据或者把一些动态请求托付给其它server端程序。基于Nginx的这样的工作性质，决定每个request的大部份生命都是在网络传输中，实际上花费在server机器上的时间片不多。因此Nginx属于网络IO密集型应用，不算是计算密集型。基于这样的特点，才有可能实现多进程解决高并发的设计方案。

2. nginx多进程架构

2.1 nginx多进程模型

nginx的高性能与其架构是分不开的。
nginx采用的是经典的master-worker模型的多进程模型，即一个master进程管理一个或者多个worker进程。基本的事件处理都在worker进程，master进程负责一些全局初始化，以及对worker进程的管理，如下图所示：

nginx分为单进程模式和多进程模式，默认以多进程的方式来工作。
单进程模式常常在开发环境调试时候使用，在对外服务时nginx多以多进程方式工作。

Nginx启动后，会运行一个master进程和多个worker进程。其中master充当整个进程组与用户的交互接口，同时对进程进行监护，管理worker进程来实现重启服务、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。

2.2 master进程的作用

master进程主要功能包括：

• 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。

2.3 进程控制

在启动后，我们应该如何操作nginx呢？

上面已经知道master进程可以用来管理worker进程，所以我们只需要与master进程通信就行了。master进程会接收来自外界发来的信号，再根据信号做不同的事情。所以我们要控制nginx，只需要向master进程发送信号就行了。

比如kill -HUP pid，我们一般用这个信号来从容地重启nginx。master进程在接收到HUP信号后，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，并且在当前进程中的所有未处理完的请求处理完成后，再退出。

2.4 worker进程的作用

worker进程负责处理网络事件：

• 多个worker进程之间是对等的，他们同等竞争来自客户端的请求。
• 各进程互相之间是独立的。
• 一个请求，只可能在一个worker进程中处理，一个worker进程，不可能处理其它进程的请求。
• worker进程的个数是可以设置的，一般我们会设置与机器cpu核数一致。

2.5 worker进程处理请求的过程

worker进程之间是平等的，每个进程，处理请求的机会也是一样的。当我们提供80端口的http服务时，一个连接请求过来，每个进程都有可能处理这个连接，怎么做到的呢？

每个worker进程都是从master进程fork出来的，在master进程里面，首先会建立好监听的socket，然后再fork出多个worker进程。这样每个worker进程都可以去accept这个socket(当然不是同一个socket，只是每个进程的这个socket会监控在同一个ip地址与端口，这个在网络协议里面是允许的)。

一般来说，当一个连接进来后，所有accept在这个socket上面的进程，都会收到通知，但是只有一个进程可以accept这个连接，其它的则accept失败，这是所谓的惊群现象。

nginx提供了一个accept_mutex这个东西，从名字上，我们可以看这是一个加在accept上的一把共享锁。有了这把锁之后，同一时刻，就只会有一个进程在accpet连接，这样就不会有惊群问题了。accept_mutex是一个可控选项，我们可以显示地关掉，默认是打开的。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，这样一个完整的请求就是这样的了。我们可以看到，一个请求，完全由worker进程来处理，而且只在一个worker进程中处理。

2.6 nginx处理网络事件

Nginx采用异步非阻塞的方式来处理网络事件，具体过程如下图：

master进程先建好需要监听的socket后，再fork出多个worker进程，这样每个worker进程都可以去接收这个socket。当一个client连接到来时，所有的worker进程都会收到通知，但只有一个可以accept成功。这里Nginx提供了一个共享锁accept_mutex，虽然所有的worker都会收到通知，但只有一个进程抢到锁，其它失败，成功的worker进程接收请求。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。

当运行过程中，如果worker进程出现异常，master会对worker进行重启。重启时会先启动新的worker进程，然后向老的worker发送信号。新的worker启动后，就开始接收新的请求；而老的worker在收到信号后不再接收请求，将当前进程中所有未处理完的请求处理完成后，再退出。这样最大程度的满足可用性要求。