深入NGINX：我们如何设计它的性能和扩展性

　　英文原文：Inside NGINX: How We Designed for Performance & Scale

为了更好地理解设计，你需要了解NGINX是如何工作的。NGINX之所以能在性能上如此优越，是由于其背后的设计。许多web服务器和应用服务器使用简单的线程的（threaded）、或基于流程的（process-based）架构， NGINX则以一种复杂的事件驱动（event-driven）的架构脱颖而出，这种架构能支持现代硬件上成千上万的并发连接。

Inside NGINX infographic涉及了从高层次进程架构的挖掘，到NGINX的单进程处理多连接的图解。本篇文章讲解了这些工作细节。

　　设置场景——NGINX进程模型

　　为了更好地理解设计，你需要了解NGINX是如何工作的。NGINX有一个主进程（master process）（执行特权操作，如读取配置、绑定端口）和一系列工作进程（worker process）和辅助进程（helper process）。

　　这个四核服务器内，NGINX主进程创建了4个工作进程和2个缓存辅助进程（cachehelper processes）来管理磁盘内容缓存（on-disk content cache）。

　　为什么架构很重要?

任何Unix应用程序的根本基础都是线程或进程（从Linux操作系统的角度看，线程和进程基本上是相同的，主要区别是他们共享内存的程度）。进程或线程，是一组操作系统可调度的、运行在CPU内核上的独立指令集。大多数复杂的应用程序都并行运行多个线程或进程，原因有两个：

可以同时使用更多的计算机内核。
线程和进程使并行操作很容易实现（例如，同时处理多个连接）。

进程和线程都消耗资源。它们都使用内存和其他OS资源，导致内核频繁切换(被称作上下文切换（context switch）的操作)。大多数现代服务器可以同时处理数百个小的、活跃的（active）线程或进程，但一旦内存耗尽，或高I/O负载导致大量的上下文切换时，服务器的性能就会严重下降。对于网络应用，通常会为每个连接（connection）分配一个线程或进程。这种架构易于实现，但是当应用程序需要处理成千上万的并发连接时，这种架构的扩展性就会出现问题。

　　NGINX是如何工作的?

NGINX使用一个了可预见式的（predictable）进程模型，调度可用的硬件资源：

1. 主进程执行特权操作，如读取配置和绑定端口，还负责创建子进程(下面的三种类型)。

2. 缓存加载进程（cache loader process）在启动时运行，把基于磁盘的缓存（disk-based cache）加载到内存中，然后退出。对它的调度很谨慎，所以其资源需求很低。

3. 缓存管理进程（cache manager process）周期性运行，并削减磁盘缓存（prunes entries from the disk caches），以使其保持在配置范围内。

4. 工作进程（worker processes）才是执行所有实际任务的进程：处理网络连接、读取和写入内容到磁盘，与上游服务器通信等。

多数情况下，NGINX建议每1个CPU核心都运行1个工作进程，使硬件资源得到最有效的利用。你可以在配置中设置如下指令： worker_processes auto，当NGINX服务器在运行时，只有工作进程在忙碌。每个工作进程都以非阻塞的方式处理多个连接，以削减上下文切换的开销。每个工作进程都是单线程且独立运行的，抓取并处理新的连接。进程间通过共享内存的方式，来共享缓存数据、会话持久性数据（session persistence data）和其他共享资源。

　　NGINX内部的工作进程

每一个NGINX的工作进程都是NGINX配置（NGINX configuration）初始化的，并被主进程设置了一组监听套接字（listen sockets）。

　　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。这些连接被会分配给状态机（statemachine）—— HTTP状态机是最常用的，但NGINX还为流（原生TCP）和大量的邮件协议（SMTP，IMAP和POP3）实现了状态机。

状态机本质上是一组告知NGINX如何处理请求的指令。大多数和NGINX具有相同功能的web服务器也使用类似的状态机——只是实现不同。

　　调度状态机

把状态机想象成国际象棋的规则。每个HTTP事务（HTTP transaction）都是一局象棋比赛。棋盘的一边是web服务器——坐着一位可以迅速做出决定的大师级棋手。另一边是远程客户端——在相对较慢的网络中，访问站点或应用程序的web浏览器。然而，比赛的规则可能会很复杂。例如，web服务器可能需要与各方沟通(代理一个上游的应用程序)，或者和认证服务器交流。web服务器的第三方模块也可以拓展比赛规则。

　　阻塞状态机

回忆一下我们之前对进程和线程的描述：是一组操作系统可调度的、运行在CPU内核上的独立指令集。大多数web服务器和web应用都使用一个连接/一个进程或一个连接/一个线程的模型来进行这局国际象棋比赛。每个进程或线程都包含一个将比赛玩到最后的指令。在这个过程中，进程是由服务器来运行的，它的大部分时间都花在“阻塞（blocked）”上，等待客户端完成其下一个动作。

　　1. web服务器进程（web server process）在监听套接字上，监听新的连接（客户端发起的新比赛）。

2. 一局新的比赛发起后，进程就开始工作，每一步棋下完后都进入阻塞状态，等待客户端走下一步棋。

3. 一旦比赛结束，web服务器进程会看看客户是否想开始新的比赛（这相当于一个存活的连接）。如果连接被关闭（客户端离开或者超时），web服务器进程会回到监听状态，等待全新的比赛。

记住重要的一点：每一个活跃的HTTP连接（每局象棋比赛）都需要一个专用的进程或线程（一位大师级棋手）。这种架构非常易于扩展第三方模块（“新规则”）。然而，这里存在着一个巨大的不平衡：一个以文件描述符（file descriptor）和少量内存为代表的轻量级HTTP连接，会映射到一个单独的进程或线程——它们是非常重量级的操作系统对象。这在编程上是方便的，但它造成了巨大的浪费。

　　NGINX是真正的大师

　　NGINX is a True Grandmaster

　　也许你听说过车轮表演赛，在比赛中一个象棋大师要在同一时间对付几十个对手。