Nginx原理读书笔记

一. Nginx 简介

nginx 是一款自由的、开源的、高性能的HTTP服务器和方向代理服务器；同时也是一个IMAP、POP3、SMTP代理服务器；Nginx可以作为服务器进行网站的发布处理，另外Nginx可以作为反向代理进行负载均衡。

二. Nginx三个应用场景

1、静态资源服务（通过本地文件系统提供服务）
2、缓存、负载均衡服务器
3、API服务

三. 为什么选择nginx?

1. 更快
   这表现在两个方面，一方面，在正常情况下，单次请求会得到更快的响应；另一方面，在高峰期（如有数以万计的并发请求），Nginx可以比其他Web服务器更快的响应请求
2. 高扩展性
   Nginx 的设计极具扩展性，它完全是由多个不同功能、不同层次、不同类型且耦合度极低的模块组成，。。
3. 高可靠性
   Nginx的高可靠性来自于其核心框架代码的优秀设计、模块设计的简单性。
4. 低内存消耗
   一般情况下，10000个非活跃的HTTP Keep-Alive连接在Nginx中仅消耗2.5MB的内存，这是Nginx支持高并发连接的基础。
5. 单机支持10万以上的并发连接
6. 热部署
   master管理进程与worker工作进程的分离设计，使得worker能够提供热部署功能，在7X24小时不间断服务的前提下，升级worker的可执行文件。当然，它也支持不停止服务就更新配置项，更换日志文件等。
7. 最自由的BSD许可协议
   这是worker可以快速发展的强大动力。

四. Nginx相关的开源版本

Tengine 、open resty

五. Nginx 高效的原因及原理解析

先来看下服务器的网络服务模型
web服务器和客户端是一对多的关系，Web服务器必须有能力同时为多个客户端提供服务，一般来说完成并行处理请求工作有三种方式：
1. 单进程阻塞的网络模型
a. 创建一个socket，绑定服务器端口(bind)，监听端口（listen），在PHP中用stream_socket_server一个函数可以完成上面三个步骤。
b. 进入while循环，阻塞在accept操作上，等待客户端的连接进入。此时程序会进入休眠状态，直到有新的客户端发起connect到服务器，操作系统会唤醒此进程。accept函数返回客户端连接的socket。
c. 利用fread读取客户端socket当中的数据，收到数据后服务器程序进行处理然后使用fwrite向客户端发送响应。长连接的服务会持续与客户端交互。
缺点：
一次只能处理一个连接，不支持多个长连接同时处理。
2. 多进程的方式
是指，服务器每当收到一个客户端请求时，就有服务器主进程生成一个子进程出来和客户端建立连接进行交互，直到连接断开该子进程就结束了。
说明：
程序启动后会创建N个进程。每个子进程进入Accept，等待新的连接进入。当客户端连接服务器时,其中一个子进程会被唤醒，开始出来客户端请求，并且不再接受新的TCP连接。
多进程的方式的优点是设计简单，各个子进程相对独立，处理客户端请求时彼此不干扰；
缺点：
操作系统生成一个子进程需要内存复制等操作，在资源和时间上会产生一定的开销，当有大量请求时，会导致系统性能下降；
例如： 即时聊天程序，一台服务器可能要维持数十万的连接，那么就要启动数十万的进程来维持，这显然是不可能的。
3. 多线程的方式
多线程的方式是指每当接收到一个请求后，会由服务器主进程派生出一个线程出来和客户端进行交互。由于操作系统产生出一个线程的开销远远小于一个进程的开销，故多个线程的方式很大程度上减轻了Web服务器对系统资源的要求。
缺点：不够稳定，假设某个进程突然关闭会造成整个进程中的所有线程都崩溃。

4. 单进程IO复用方式
说明：
1） 保存所有的socket，通过select模型，监听socket描述符的可读事件
2） Select会在内核空间监听，一旦发现socket可读，会从内核空间传递至用户空间，在用户空间通过逻辑判断是服务器socket可读还是客户端的socket可读。
3） 如果是服务端的socket可读，说明有新的客户端建立，将socket保留到监听数组当中
4） 如果是客户端的socket可读，说明当前已经可以去读取客户端发送过来的内容了，通过fread读取socket内容，然后fwrite响应给客户端。
优点： 性能最好，一个进程或线程处理多个请求，不需要额外的开销，性能最好，资源占用最低。
缺点：稳定性不好，某个进程或线程出错，可能导致大量的请求无法处理，甚至导致整个服务宕机，单进程对于大量任务处理乏力。
5.多进程的master-worker IO复用方式
1） Nginx启动后，会产出一个主进程，主进程执行一系列的工作后会产生一个或者多个工作进程。
2） 在客户端请求动态站点的过程中，Nginx服务器还涉及和后端服务器的通信。Nginx将接收到Web请求通过代理转发到后端服务器，又后端服务器进行数据处理和组织；
3）Nginx为了提高对请求的响应效率，降低网络压力，采用了缓存机制，将历史应答数据缓存到本地。保障对缓存文件的快速访问。
nginx缓存：基于Proxy Store实现，使用Nginx的http_proxy 模块可以实现类型于squid的缓存功能。当启用缓存时，Nginx会将相应的数据保存在磁盘缓存中，只要缓存数据尚未过期，就会使用缓存数据来响应客户端的请求。
master 进程主要用来管理worker进程，具体包括以下主要功能：
1）接收来自外界的信号。
2） 处理配置文件读取
3） 创建，绑定和关闭套接字
4）启动、终止和维护配置的工作（worker） 进程数
5）当woker进程退出后（异常情况下），会自动重新启动新woker进程
woker进程的主要任务是完成具体的任务逻辑，其主要的关注点是客户端后后端真实服务器（此时woker进程作为中间代理）之间的数据可读/可写等IO交互事件
1）接收客户端请求
2）将请求一次送入各个功能模块进行过滤处理
3） 与后端服务器通信，接收后端服务器处理结果
4）数据缓存
5）响应客户端请求
5.1 IO复用/EventLoop
5.1.1 什么是IO复用?
IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，它就通知该进程，目前支持的IO复用的系统调用有select，poll,epoll,I/O多路复用就是通过一种机制，一个进程可以监听多个描述符，一旦某个描述符就绪，能够通知程序进行相应的读写

5.1.2 select 介绍
监视并等待多个文件描述符的属性变化（可读、可写或错误异常）。select函数监视的文件描述符有3类。分别是writefds，readfds和execpfds。调用后select 会阻塞，直到有描述符就绪（有数据可读、可写、或者有错误异常），或者超时函数才返回。当select()函数返回后，可以遍历fdset，来找到就绪的描述符，并且描述符最大不能超过1024
（进程或者线程执行到这些函数时必须等待某个事件的发生，如果事件没有发生，进程或者线程就被阻塞，函数不能立即返回）
5.1.3 Poll 介绍
poll的机制与select类型，与select本质上没有什么区别，管理多个描述符也是进行轮询，根据描述符的状态进行处理，但是poll没有最大文件描述符数量限制。poll和select同样存在一个缺点就是：包含大量文件描述符的数组被整体复制于用户态和内核空间，而不论这些文件描述符是否准备就绪，它的开销随着文件描述数量的增加而线型增大。
缺点：
select/poll问题很明显，他们需要循环检测是否有事件。如果服务器有上百万个连接，在某一段事件只有一个连接想服务器发送里数据，select/poll需要循环100万次。白白浪费了CPU资源。
epoll 使用一个文件描述符管理多个描述符，将用户关系的文件描述符的时间存放到内核的一个事件表中。
简单来说就是当连接有IO流事件产生的时候，epoll就会去告诉进程哪个连接有IO流事件产生，然后程序就去处理这个进程。
IO复用异步非阻塞程序使用经典的Reactor模型

进程相关
fork函数
fork函数将创建调用的进程的副本，并非根据完全不同的程序创建进程，而是复制正在运行的，调用fork函数的进程
处理僵尸进程
如果父进程没有正确的处理子进程的返回信息，子进程将停留在僵尸状态。

总结

nginx 的进程模型是多进程（master-woker）IO复用