Nginx 如何处理请求？

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嗨，你好呀，我是猿java

Nginx（Engine X）是一个高性能的HTTP和反向代理服务器，它以其高并发、高性能和低资源消耗著称。这篇文章，我们将从原理、代码以及示例来深入分析 Nginx如何处理请求。

Nginx请求处理原理

Nginx请求处理的原理主要涉及以下 6个核心技术点：

  1. 事件驱动模型
  2. 异步非阻塞处理
  3. 进程模型
  4. 模块化设计
  5. 负载均衡和反向代理
  6. 配置文件解析

接下来我们将一一分析它们：

事件驱动模型

Nginx的事件驱动模型基于非阻塞 I/O 和事件循环。它使用多路复用技术（如 epoll、kqueue 等）来监控多个连接，并在事件发生时调用相应的处理器。

多路复用技术

多路复用技术是事件驱动模型的关键。Nginx 支持多种多路复用机制，包括：

  • epoll：Linux 平台上的高效多路复用机制，适用于大量并发连接。
  • kqueue：FreeBSD、OpenBSD、macOS 等平台的多路复用机制。
  • select 和 poll：较早期的多路复用机制，适用于较少的并发连接。

Nginx 会根据操作系统的不同自动选择最优的多路复用机制。

事件循环

在 Nginx 中，事件循环主要负责监控和处理网络事件。其基本流程如下：

  • 初始化：初始化事件模块，配置事件处理机制（如 epoll）。
  • 事件监听：监听客户端连接请求、数据可读可写等事件。
  • 事件检测：通过多路复用机制检测事件的发生。
  • 事件分发：将检测到的事件分发给对应的事件处理器。
  • 事件处理：调用回调函数来处理具体的事件，如读取请求、发送响应等。

事件处理

Nginx 的事件处理是通过一系列的回调函数来实现的，这些回调函数在不同的事件阶段被调用，包括：

  • 连接建立：处理新连接的建立。
  • 请求读取：从客户端读取请求数据。
  • 响应发送：向客户端发送响应数据。
  • 连接关闭：处理连接的关闭。

###Worker 进程

Nginx 使用多进程架构，其中每个 Worker 进程都是一个独立的事件驱动服务器。Master 进程负责管理 Worker 进程，而 Worker 进程则负责处理客户端请求。每个 Worker 进程都有自己的事件循环，能够独立处理并发连接。

异步非阻塞处理

异步非阻塞意味着 Nginx在处理一个请求时，可以进行 I/O操作而不被阻塞，当请求发起后，处理过程中的任何耗时操作（如磁盘I/O，网络I/O）都不会阻塞整个处理。Nginx通过将这些操作放在异步事件中等待完成，释放工作进程来处理其他可用事件。

进程模型

Nginx 采用了 Master-Worker 多进程架构，其中包含一个主进程（Master Process）和一个或多个工作进程（Worker Processes）。这种架构的设计可以确保责任分离，以便更好地管理系统资源、并发请求处理与故障恢复。

Master进程

职责

  • Master进程的主要职责是管理和控制工作进程。
  • 接收和处理来自外部（如管理员）的请求，例如配置重载、启动或关闭 Nginx。
  • 在启动时读取和解析配置文件，初始化各种全局变量和资源。

主要功能

  • 启动和终止 Worker 进程：Master 进程负责分批启动工作进程，并根据需要重启或终止工作进程。
  • 管理信号：监听和处理系统信号（如 SIGHUP 用于重载配置，SIGTERM 用于关闭服务器等）。
  • 平滑升级：做出配置更改或执行 Nginx 版本升级时，可以通过不间断地重新启动工作进程实现平滑升级。

Worker进程

职责

  • 处理客户端请求的所有工作。所有实际的网络事件处理都在工作进程中进行，包括接受连接、读取请求、处理请求、发送响应，等等。
  • 每个 Worker 进程都是相互独立的，同时可以处理独立的连接。

主要特性和功能

  • 无共享状态：每个 Worker 内存相互独立，这样可以避免在编程中可能出现的很多锁问题，提高并行处理效率。
  • 事件驱动和非阻塞 I/O：Worker 进程使用非阻塞 I/O 和事件驱动机制（如 epoll、kqueue 等）来处理请求，这使得在同一时间可以处理大量的并发请求。
  • 进程模型的竞争连接机制：所有 Worker 进程均平等地受到请求连接，具体哪个进程处理新连接由端口复用技术和操作系统决定。

进程之间的通信

Nginx 的 Master 和 Worker 进程之间使用 UNIX 信号进行简单而有效的通信，Master 进程对信号的响应可以带来整体行为的变化。例如：

SIGHUP：重新加载配置，此时 Master进程会完成以下几件事：

  • 检查语法错误后生成新配置。
  • 启动新的 Worker 进程。
  • 逐渐关闭旧的 Worker 进程，以便不会中断现有连接。

SIGTERM/SIGQUIT：优雅地关闭 Nginx 服务器。此时，Master 进程会通知 Worker 进程在所有当前请求完成后关闭。

SIGUSR1：重新打开日志文件，通常用于日志切换。

模块化设计

Nginx以模块化的方式设计，通过不同类型的模块（如HTTP模块、事件模块、Mail模块等）来完成不同功能。每种模块提供了处理请求的特定功能，组合在一起完成完整的HTTP服务。

负载均衡和反向代理

Nginx可以配置为反向代理，在处理请求时直接转发到后端服务器。它可以实现负载均衡，根据设定的策略（如轮询、最少连接）来分配请求。

配置文件解析

Nginx通过配置文件执行请求的处理定义。配置文件指定服务器块、位置块和其他配置指令，用以指示Nginx如何响应不同的HTTP请求。

代码分析

Nginx的代码是用C语言编写的，下面我们分析一些关键的代码片段来了解其工作原理。

启动流程

Nginx的启动从main函数开始，在src/core/nginx.c文件中：

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int main(int argc, char *const *argv) {
    ngx_log_t         *log;
    ngx_cycle_t       *cycle, init_cycle;
    ngx_core_conf_t   *ccf;
    ngx_conf_t        cf;
    
    // 初始化日志、信号处理等
    ngx_log_error(NGX_LOG_NOTICE, log, 0, "nginx version: " NGINX_VERSION);
    
    // 获取命令行参数
    process_args(argc, argv, &init_cycle);
    
    // 初始化周期
    cycle = ngx_init_cycle(&init_cycle);
    
    // 循环处理到来的请求
    ngx_process_events_and_timers(cycle);
    
    return 0;
}

ngx_init_cycle是初始化Nginx周期的函数，其中包括配置文件的加载和解析。

事件循环

核心的事件循环位于ngx_process_events_and_timers函数中：

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void ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle) {
    ngx_msec_t  timer, delta;
    ngx_uint_t  i;
    
    for (;;) {
        // 获取即将触发的事件和时间
        timer = ngx_event_find_timer();
        
        if (timer == NGX_TIMER_INFINITE) {
            timer = (ngx_msec_t) NGX_TIMER_INFINITE_VALUE;
        }
        
        // 等待事件到来
        (void) ngx_process_events(cycle, timer, 0);
        
        // 调用定时器事件
        ngx_event_expire_timers();
        
        // 处理延迟文件事件
        ngx_handle_delayed_events(cycle);
    }
}

在这个循环中，Nginx持续地等待事件的发生，然后根据事件的类型执行相应的操作。

请求处理

实际的HTTP请求处理则是在ngx_http_process_request中完成：

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void ngx_http_process_request(ngx_http_request_t *r) {
    ngx_connection_t       *c;
    ngx_http_core_main_conf_t  *cmcf;
    
    c = r->connection;
    
    // 处理的阶段分为不同的handler
    cmcf = ngx_http_get_module_main_conf(r, ngx_http_core_module);
    
    // Match the location
    ngx_http_core_find_config_phase(r);
    
    // Perform access checks
    if (ngx_http_process_request_uri(r) != NGX_OK) {
        return;
    }
    
    // Execute input body filters
    if (ngx_http_read_client_request_body(r, ngx_http_request_body_handler) >= NGX_HTTP_SPECIAL_RESPONSE) {
        return;
    }
    
    // Call content handler
    ngx_http_core_content_phase(r);
}

在这个函数里，Nginx逐一执行请求生命周期中的各个阶段，包括URI解析，权限检查，读取请求体，以及最终的内容处理。

示例配置

为了更好地理解 Nginx如何处理请求，在这里，我们通过一个简单的静态网页服务器的配置例子来说明：

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worker_processes  1;

events {
    worker_connections 1024;
}

http {
    server {
        listen 80;
        server_name localhost;
        
        location / {
            root /var/www/html;
            index index.html index.htm;
        }
    }
}

配置分析：

  • worker_processes 1;：指定Nginx使用一个worker进程。
  • worker_connections 1024;：每个worker进程最多支持1024个并发连接。
  • http {}：开始一个HTTP配置上下文。
  • server {}：定义一个虚拟服务器。
  • listen 80;：服务器监听80端口。
  • server_name localhost;：指定服务器名。
  • location / {}：定义根目录的请求处理位置。
  • root /var/www/html;：将所有对根目录的请求映射到文件系统的/var/www/html目录。
  • index index.html index.htm;：指定默认的首页文件。

总结

Nginx的设计和实现牢牢把握住了高性能和高并发的目标，通过事件驱动模型、异步处理、多进程架构以及丰富的模块系统，Nginx不仅可以高效地处理HTTP请求，还可以通过模块化的配置系统进行极为灵活的部署和定制。通过深入Nginx的代码和运行原理，我们可以更好地理解和优化我们的Nginx服务器配置。

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