企业高性能web服务器Nginx的详细部署(理论篇)

发布于:2025-07-30 ⋅ 阅读:(20) ⋅ 点赞:(0)

一.企业高性能web服务器

1.Web 服务基础介绍

正常情况下的单次 web 服务访问流程:

1.1 互联网发展历程回顾 

199332日,中国科学院高能物理研究所租用AT&T公司的国际卫星信道建立的接入美国SLAC国家实

验室的64K专线正式开通,成为我国连入Internet的第一根专线。

1995年马云开始创业并推出了一个web网站 中国黄页

1999年创建阿里巴巴www.alibabagroup.com

2003510日创立淘宝网

200412月,马云创立第三方网上支付平台支付宝(蚂蚁金服旗下,共有蚂蚁金服支付宝、余额宝、招

财宝、蚂蚁聚宝、网商银行、蚂蚁花呗、芝麻信用等子业务板块)

2009年开始举办双十一购物狂欢节,以下是历年交易成交额:

2012111日淘宝商城正式更名为天猫

2014919日里巴巴集团于纽约证券交易所正式挂牌上市

1.2 Web 服务介绍

 

1.2.1 Apache 经典的 Web 服务端

Apache起初由美国的伊利诺伊大学香槟分校的国家超级计算机应用中心开发

目前经历了两大版本分别是1.X2.X

其可以通过编译安装实现特定的功能

1.2.1.1 Apache prefork 模型

预派生模式,有一个主控制进程,然后生成多个子进程,使用select模型,最大并发1024

每个子进程有一个独立的线程响应用户请求

相对比较占用内存,但是比较稳定,可以设置最大和最小进程数

是最古老的一种模式,也是最稳定的模式,适用于访问量不是很大的场景

优点:稳定

缺点:每个用户请求需要对应开启一个进程,占用资源较多,并发性差,不适用于高并发场景

1.2.1.2 Apache worker 模型

一种多进程和多线程混合的模型

有一个控制进程,启动多个子进程

每个子进程里面包含固定的线程

使用线程程来处理请求

当线程不够使用的时候会再启动一个新的子进程,然后在进程里面再启动线程处理请求,

由于其使用了线程处理请求,因此可以承受更高的并发

优点:相比prefork 占用的内存较少,可以同时处理更多的请求

缺点:使用keepalive的长连接方式,某个线程会一直被占据,即使没有传输数据,也需要一直等待到超时才会被释放。如果过多的线程,被这样占据,也会导致在高并发场景下的无服务线程可用(该问题在prefork模式下,同样会发生)

 

1.2.1.3 Apache event 模型

Apache中最新的模式,2012年发布的apache 2.4.X系列正式支持event 模型,属于事件驱动模型(epoll)

每个进程响应多个请求,在现在版本里的已经是稳定可用的模式

它和worker模式很像,最大的区别在于,它解决了keepalive场景下长期被占用的线程的资源浪费问题(某些线程因为被keepalive,空挂在哪里等待,中间几乎没有请求过来,甚至等到超时)

 event MPM中,会有一个专门的线程来管理这些keepalive类型的线程

当有真实请求过来的时候,将请求传递给服务线程,执行完毕后,又允许它释放。这样增强了高并发场景下的请求处理能力

优点:单线程响应多请求,占据更少的内存,高并发下表现更优秀,会有一个专门的线程来管理keepalive类型的线程,当有真实请求过来的时候,将请求传递给服务线程,执行完毕后,又允许它释放

缺点:没有线程安全控制

 1.2.2 Nginx-高性能的 Web 服务端

Nginx是由1994年毕业于俄罗斯国立莫斯科鲍曼科技大学的同学 伊戈尔·赛索耶夫 为俄罗斯著名搜索网站

rambler.ru开发的,开发工作最早从2002年开始,第一次公开发布时间是2004104日,版本号是 0.1.0

2019311F5 NGINX达成协议,F5 将收购 NGINX 的所有已发行股票,总价值约为 6.7 亿美元。6.7亿美金约合44.97亿人民币,nginx核心模块代码长度198430(包括空格、注释),所以一行代码约为 2.2万人民币

官网地址 www.nginx.org

Nginx历经十几年的迭代更新(https://nginx.org/en/CHANGES), 目前功能已经非常完善且运行稳定,另外Nginx的版本分为开发版、稳定版和过期版,nginx以功能丰富著称,它即可以作为http服务器,也可以作为反向代理服务器或者邮件服务器能够快速的响应静态网页的请求支持FastCGI/SSL/Virtual Host/URL Rwrite /Gzip / HTTP Basic Auth/http或者TCP的负载均衡(1.9版本以上且开启stream模块)等功能,并且支持第三方的功能扩展。

天猫 淘宝 京东 小米 163 新浪等一线互联网公司都在用Nginx或者进行二次开发

基于Nginx的工作场景:

1.2.3 用户访问体验和性能
1.2.3.1 用户访问体验统计
互联网存在用户速度体验的 1-3-10 原则,即 1 秒最优, 1-3 秒较优, 3~10 秒比较慢, 10 秒以上用户无法接受。用户放弃一个产品的代价很低,只是换一个URL 而已。

 

全球最大搜索引擎 Google:慢500ms = 20% 将放弃访问。

全球最大的电商零售网站亚马逊:慢100ms = 1% 将放弃交易有很多研究都表明,性能对用户的行为有很大的影响:

79%的用户表示不太可能再次打开一个缓慢的网站

47%的用户期望网页能在2秒钟以内加载

40%的用户表示如果加载时间超过三秒钟,就会放弃这个网站

页面加载时间延迟一秒可能导致转换损失7%,页面浏览量减少11%

8秒定律:用户访问一个网站时,如果等待网页打开的时间超过8秒,会有超过30%的用户放弃等待

1.2.3.2 影响用户体验的因素

据说马云在刚开始创业在给客户演示时,打开一个网站花了不到四个小时。

影响用户体验的因素

1.客户端

客户端硬件配置

客户端网络速率

客户端与服务端距离

2.服务器

服务端网络速率

服务端硬件配置

服务端架构设计

服务端应用程序工作模式

服务端并发数量服务端响应文件大小及数量 buffer cache

服务端I/O压力1.2.4 服务端 I/O 流程

1.2.4 服务端 I/O 流程

I/O在计算机中指Input/Output IOPS (Input/Output Per Second)即每秒的输入输出量(或读写次数), 是衡量磁盘性能的主要指标之一。IOPS是指单位时间内系统能处理的I/O请求数量,一般以每秒处理的I/O请求数量为单位,I/O请求通常为读或写数据操作请求。

一次完整的I/O是用户空间的进程数据与内核空间的内核数据的报文的完整交换,但是由于内核空间与用户空间是严格隔离的,所以其数据交换过程中不能由用户空间的进程直接调用内核空间的内存数据,而是需要经历一次从内核空间中的内存数据copy到用户空间的进程内存当中,所以简单说I/O就是把数据内核空间中的内存数据复制到用户空间中进程的内存当中。

服务器的 I/O
磁盘 I/O
网络 I/O : 一切皆文件 , 本质为对 socket 文件的读写
1.2.4.1 磁盘 I/O

磁盘I/O是进程向内核发起系统调用,请求磁盘上的某个资源比如html 文件或者图片,然后内核通过相 应的驱动程序将目标文件加载到内核的内存空间,加载完成之后把数据从内核内存再复制给进程内存,如果是比较大的数据也需要等待时间

机械磁盘的寻道时间、旋转延迟和数据传输时间:

寻道时间:是指磁头移动到正确的磁道上所花费的时间,寻道时间越短则I/O处理就越快, 目前磁盘的寻道时 间一般在3-15毫秒左右。

旋转延迟:是指将磁盘片旋转到数据所在的扇区到磁头下面所花费的时间,旋转延迟取决于磁盘的转速,通常 使用磁盘旋转一周所需要时间的1/2之一表示,比如7200转的磁盘平均训传延迟大约为

60*1000/7200/2=4.17毫秒,公式的意思为 (每分钟60*1000毫秒每秒/7200转每分/2),如果是 15000转的则为60*1000/15000/2=2毫秒。

数据传输时间:指的是读取到数据后传输数据的时间,主要取决于传输速率,这个值等于数据大小除以传输速 率, 目前的磁盘接口每秒的传输速度可以达到600MB,因此可以忽略不计。

常见的机械磁盘平均寻道时间值:

7200/分的磁盘平均物理寻道时间:9毫秒  10000/分的磁盘平均物理寻道时间:6毫秒

15000/分的磁盘平均物理寻道时间:4毫秒

常见磁盘的平均延迟时间:

7200转的机械盘平均延迟:60*1000/7200/2 = 4.17ms

10000转的机械盘平均延迟:60*1000/10000/2 = 3ms

15000转的机械盘平均延迟:60*1000/15000/2 = 2ms

每秒最大IOPS的计算方法:

7200转的磁盘IOPS计算方式:1000毫秒/(9毫秒的寻道时间+4.17毫秒的平均旋转延迟时 )=1000/13.13=75.9 IOPS

10000转的磁盘的IOPS计算方式:1000毫秒/(6毫秒的寻道时间+3毫秒的平均旋转延迟时 )=1000/9=111IOPS

15000转的磁盘的IOPS计算方式:15000毫秒/(4毫秒的寻道时间+2毫秒的平均旋转延迟时 )=1000/6=166.6 IOPS

1.2.4.2 网络 I/O

网络通信就是网络协议栈到用户空间进程的IO就是网络IO

网络I/O 处理过程

.  获取请求数据,客户端与服务器建立连接发出请求,服务器接受请求(1-3

.  构建响应,当服务器接收完请求,并在用户空间处理客户端的请求,直到构建响应完成(4 .  返回数据,服务器将已构建好的响应再通过内核空间的网络 I/O 发还给客户端(5-7

不论磁盘和网络I/O

每次I/O,都要经由两个阶段:

  第一步:将数据从文件先加载至内核内存空间(缓冲区),等待数据准备完成,时间较长

  第二步:将数据从内核缓冲区复制到用户空间的进程的内存中,时间较短

1.3 I/O 模型

1.3.1 I/O 模型相关概念

同步/异步:关注的是消息通信机制,即调用者在等待一件事情的处理结果时,被调用者是否提供完成状 态的通知。

.  同步:synchronous,被调用者并不提供事件的处理结果相关的通知消息,需要调用者主动询问事 情是否处理完成

.  异步:asynchronous,被调用者通过状态、通知或回调机制主动通知调用者被调用者的运行状态

阻塞/非阻塞:关注调用者在等待结果返回之前所处的状态

.  阻塞: blocking,指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间,调用结果返回之前,调用者被挂 起,干不了别的事情。

.  非阻塞: nonblocking,指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值,而无需等到IO作彻底完 成,在最终的调用结果返回之前,调用者不会被挂起,可以去做别的事情。

1.3.2 网络 I/O 模型

阻塞型、非阻塞型、复用型、信号驱动型、异步

1.3.2.1 阻塞型 I/O 模型(blocking IO

   阻塞IO模型是最简单的I/O模型,用户线程在内核进行IO操作时被阻塞

.  用户线程通过系统调用read发起I/O读操作,由用户空间转到内核空间。内核等到数据包到达后,然 后将接收的数据拷贝到用户空间,完成read操作

.  用户需要等待read将数据读取到buffer后,才继续处理接收的数据。整个I/O请求的过程中,用户线 程是被阻塞的,这导致用户在发起IO请求时,不能做任何事情,对CPU的资源利用率不够

优点:程序简单,在阻塞等待数据期间进程/线程挂起,基本不会占用 CPU 资源

缺点:每个连接需要独立的进程/线程单独处理,当并发请求量大时为了维护程序,内存、线程切换开销 apache preforck使用的是这种模式。

同步阻塞:程序向内核发送I/O请求后一直等待内核响应,如果内核处理请求的IO操作不能立即返回,则进 程将一直等待并不再接受新的请求,并由进程轮询查看I/O是否完成,完成后进程将I/O结果返回给

Client,在IO没有返回期间进程不能接受其他客户的请求,而且是有进程自己去查看I/O是否完成,这种 方式简单,但是比较慢,用的比较少。

1.3.2.2 非阻塞型 I/O 模型 (nonblocking IO)

用户线程发起IO请求时立即返回。但并未读取到任何数据,用户线程需要不断地发起IO请求,直到数据 到达后,才真正读取到数据,继续执行。即轮询机制存在两个问题:如果有大量文件描述符都要等,

那么就得一个一个的read。这会带来大量的Context Switchread是系统调用,每调用一次就得在用户 态和核心态切换一次)。轮询的时间不好把握。这里是要猜多久之后数据才能到。等待时间设的太长,  程序响应延迟就过大;设的太短,就会造成过于频繁的重试,干耗CPU而已,是比较浪费CPU的方式,  般很少直接使用这种模型,而是在其他IO模型中使用非阻IO这一特性。

非阻塞:程序向内核发送请I/O求后一直等待内核响应,如果内核处理请求的IO操作不能立即返回IO 果,进程将不再等待,而且继续处理其他请求,但是仍然需要进程隔一段时间就要查看内核I/O是否完 成。

查看上图可知,在设置连接为非阻塞时,当应用进程系统调用 recvfrom 没有数据返回时,内核会立即返 回一个 EWOULDBLOCK 错误,而不会一直阻塞到数据准备好。如上图在第四次调用时有一个数据报准    备好了,所以这时数据会被复制到 应用进程缓冲区 ,于是 recvfrom 成功返回数据

当一个应用进程这样循环调用 recvfrom 时,称之为轮询 polling。这么做往往会耗费大量CPU时间,实 际使用很少

1.3.2.3 多路复用 I/O (I/O multiplexing)

上面的模型中,每一个文件描述符对应的IO是由一个线程监控和处理

多路复用IO指一个线程可以同时(实际是交替实现,即并发完成)监控和处理多个文件描述符对应各自 IO,即复用同一个线程

一个线程之所以能实现同时处理多个IO,是因为这个线程调用了内核中的SELECT,POLLEPOLL等系统调 用,从而实现多路

I/O multiplexing 主要包括:select  poll epoll三种系统调用, select/poll/epoll的好处就在于单个 process就可以同时处理多个网络连接的IO

它的基本原理就是select/poll/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket,当某个socket有数 据到达了,就通知用户进程。

当用户进程调用了select,那么整个进程会被block,而同时, kernel监视所有select负责的socket 当任何一个socket中的数据准备好了, select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作,将数据从  kernel拷贝到用户进程。

Apache prefork是此模式的select workerpoll模式。

IO多路复用(IO Multiplexing) :是一种机制,程序注册一组socket文件描述符给操作系统,表示我要    监视这些fd是否有IO事件发生,有了就告诉程序处理”IO多路复用一般和NIO一起使用的。 NIOIO多路    复用是相对独立的。 NIO仅仅是指IO API总是能立刻返回,不会被Blocking;IO多路复用仅仅是操作系统 提供的一种便利的通知机制。操作系统并不会强制这俩必须得一起用,可以只用IO多路复用 + BIO,这时 还是当前线程被卡住。 IO多路复用和NIO是要配合一起使用才有

实际意义

IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多IO条件准备读取,就通知该进程多个连接共用一  个等待机制,本模型会阻塞进程,但是进程是阻塞在select或者poll这两个系统调用上,而不是阻塞在真 正的IO操作上用户首先将需要进行IO操作添加到select中,同时等待select系统调用返回。当数据到达时, IO被激活, select函数返回。用户线程正式发起read请求,读取数据并继续执行从流程上来看,使用 select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别,甚至还多了添加监视IO,以及调用select函数的  额外操作,效率更差。并且阻塞了两次,但是第一次阻塞在select上时, select可以监控多个IO上是否已  IO操作准备就绪,即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而不像阻塞IO那种,一次只   能监控一个IO虽然上述方式允许单线程内处理多个IO请求,但是每个IO请求的过程还是阻塞的(在select 函数上阻塞),平均时间甚至比同步阻塞IO模型还要长。如果用户线程只是注册自己需要的IO请求,然   后去做自己的事情,等到数据到来时再进行处理,则可以提高CPU的利用率IO多路复用是最常使用的IO    模型,但是其异步程度还不够彻底,因它使用了会阻塞线程的select系统调用。因此IO多路复用只能称  为异步阻塞IO模型,而非真正的异步IO。

优缺点

.  优点:可以基于一个阻塞对象,同时在多个描述符上等待就绪,而不是使用多个线程(每个文件描述 符一个线程),这样可以大大节省系统资源。

  缺点:当连接数较少时效率相比多线程+阻塞 I/O 模型效率较低,可能延迟更大,因为单个连接处理 需要 2 次系统调用,占用时间会有增加。

IO多路复用适用如下场合:

   当客户端处理多个描述符时(一般是交互式输入和网络套接口),必须使用I/O复用 

   当一个客户端同时处理多个套接字时,此情况可能的但很少出现

   当一个服务器既要处理监听套接字,又要处理已连接套接字,  一般也要用到I/O复用 

   当一个服务器即要处理TCP,又要处理UDP ,一般要使用I/O复用

   当一个服务器要处理多个服务或多个协议, 一般要使用I/O复用

1.3.2.4 信号驱动式 I/O 模型 (signal-driven IO)

信号驱动I/O的意思就是进程现在不用傻等着,也不用去轮询。而是让内核在数据就绪时,发送信号通知 进程。

调用的步骤是,通过系统调用 sigaction ,并注册一个信号处理的回调函数,该调用会立即返回,然后主 程序可以继续向下执行,当有I/O操作准备就绪,即内核数据就绪时,内核会为该进程产生一个 SIGIO号,并回调注册的信号回调函数,这样就可以在信号回调函数中系统调用 recvfrom 获取数据,将用户进 程所需要的数据从内核空间拷贝到用户空间

此模型的优势在于等待数据报到达期间进程不被阻塞。用户主程序可以继续执行,只要等待来自信号处 理函数的通知。

在信号驱动式 I/O 模型中,应用程序使用套接口进行信号驱I/O,并安装一个信号处理函数,进程继续 运行并不阻塞

在信号驱动式 I/O 模型中,应用程序使用套接口进行信号驱I/O,并安装一个信号处理函数,进程继续 运行并不阻塞

当数据准备好时,进程会收到一个 SIGIO 信号,可以在信号处理函数中调用 I/O 操作函数处理数据。

 点:线程并没有在等待数据时被阻塞,内核直接返回调用接收信号,不影响进程继续处理其他请求因此 可以提高资源的利用率

缺点:信号 I/O 在大量 IO 操作时可能会因为信号队列溢出导致没法通知

异步阻塞:程序进程向内核发送IO调用后,不用等待内核响应,可以继续接受其他请求,内核收到进程 请求后进行的IO如果不能立即返回,就由内核等待结果,直到IO完成后内核再通知进程。

1.3.2.5 异步 I/O 模型 (asynchronous IO)

异步I/O 与 信号驱动I/O最大区别在于,信号驱动是内核通知用户进程何时开始一个I/O操作,而异步I/O   是由内核通知用户进程I/O操作何时完成,两者有本质区别,相当于不用去饭店场吃饭,直接点个外卖,把 等待上菜的时间也给省了

相对于同步I/O,异步I/O不是顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后,无论内核数据是否准备 好,都会直接返回给用户进程,然后用户态进程可以去做别的事情。等到socket数据准备好了,内核直 接复制数据给进程,然后从内核向进程发送通知  IO两个阶段,进程都是非阻塞的。

信号驱动IO当内核通知触发信号处理程序时,信号处理程序还需要阻塞在从内核空间缓冲区拷贝数据到 用户空间缓冲区这个阶段,而异步IO直接是在第二个阶段完成后,内核直接通知用户线程可以进行后续 操作了

优点:异步 I/O 能够充分利用 DMA 特性,让 I/O 操作与计算重叠

缺点:要实现真正的异步 I/O,操作系统需要做大量的工作。目前 Windows 下通过 IOCP 实现了真正的 异步 I/O,在 Linux 系统下, Linux 2.6才引入,目前 AIO 并不完善,因此在 Linux 下实现高并发网络编 程时以 IO 复用模型模式+多线程任务的架构基本可以满足需求

Linux提供了AIO库函数实现异步,但是用的很少。目前有很多开源的异步IO库,例如libevent libev libuv

异步非阻塞:程序进程向内核发送IO调用后,不用等待内核响应,可以继续接受其他请求,内核调用的 IO如果不能立即返回,内核会继续处理其他事物,直到IO完成后将结果通知给内核,内核在将IO完成的 结果返回给进程,期间进程可以接受新的请求,内核也可以处理新的事物,因此相互不影响,可以实现 较大的同时并实现较高的IO复用,因此异步非阻塞使用最多的一种通信方式。

1.3.3 五种 IO 对比

这五种 I/O 模型中,越往后,阻塞越少,理论上效率也是最优前四种属于同步 I/O,因为其中真正的 I/O 操作(recvfrom)将阻塞进程/线程,只有异步 I/O 模型才与 POSIX 定义的异步 I/O 相匹配

 

1.3.4 I/O 的具体实现方式
1.3.4.1 I/O常见实现

Nginx支持在多种不同的操作系统实现不同的事件驱动模型,但是其在不同的操作系统甚至是不同的系统 版本上面的实现方式不尽相同,主要有以下实现方式:

1select

select库是在linuxwindows平台都基本支持的 事件驱动模型库,并且在接口的定义也基本相同,只是 部分参数的含义略有差异,最大并发限制1024,是最早期的事件驱动模型。

2 poll

Linux 的基本驱动模型, windows不支持此驱动模型,是select的升级版,取消了最大的并发限制,在 编译nginx的时候可以使用--with-poll_module--without-poll_module这两个指定是否编译select库。

3epoll

epoll是库是Nginx服务器支持的最高性能的事件驱动库之一,是公认的非常优秀的事件驱动模型,它和    selectpoll有很大的区别, epollpoll的升级版,但是与poll有很大的区别.epoll处理方式是创建一个 待处理的事件列表,然后把这个列表发给内核,返回的时候在去轮询检查这个表,以判断事件是否发

生,epoll支持一个进程打开的最大事件描述符的上限是系统可以打开的文件的最大数,同时epoll库的 I/O效率不随描述符数目增加而线性下降,因为它只会对内核上报的活跃的描述符进行操作。

4 kqueue

用于支持BSD系列平台的高校事件驱动模型,主要用FreeBSD 4.1及以上版本、 OpenBSD 2.0级以上版 NetBSD级以上版本及Mac OS X 平台上,该模型也是poll库的变种,因此和epoll没有本质上的区别,

都是通过避免轮询操作提供效率。

5 Iocp

Windows系统上的实现方式,对应第5种(异步I/O)模型。

6、 rtsig

不是一个常用事件驱动,最大队列1024不是很常用

7/dev/poll:

用于支持unix衍生平台的高效事件驱动模型,主要在Solaris 平台、 HP/UX,该模型是sun公司在开发

Solaris系列平台的时候提出的用于完成事件驱动机制的方案,它使用了虚拟的/dev/poll设备,开发人员  将要见识的文件描述符加入这个设备,然后通过ioctl()调用来获取事件通知,因此运行在以上系列平台的 时候请使用/dev/poll事件驱动机制。

8eventport

该方案也是sun公司在开发Solaris的时候提出的事件驱动库,只是Solaris 10以上的版本,该驱动库看防 止内核崩溃等情况的发生。

 1.3.4.2 常用I/O模型比较

Select

POSIX所规定,目前几乎在所有的平台上支持,其良好跨平台支持也是它的一个优点,本质上是通过设置 或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理

缺点

单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制,在Linux上一般为1024,可以通过修改宏定

FD_SETSIZE,再重新编译内核实现,但是这样也会造成效率的降低单个进程可监视的fd数量被限制,默  认是1024,修改此值需要重新编译内核对socket是线性扫描,即采用轮询的方法,效率较低select 采取   了内存拷贝方法来实现内核将 FD 消息通知给用户空间,这样一个用来存放大fd的数据结构,这样会使 得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大

poll

本质上和select没有区别,它将用户传入的数组拷贝到内核空间,然后查询每个fd对应的设备状态其没有 最大连接数的限制,原因是它是基于链表来存储的大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间   之间,而不管这样的复制是不是有意义poll特点是水平触发,如果报告了fd后,没有被处理,那么下次  poll时会再次报告该fd select是边缘触发即只通知一次

epoll

Linux 2.6内核中提出的selectpoll的增强版本支持水平触发LT和边缘触发ET,最大的特点在于边缘触 发,它只告诉进程哪些fd刚刚变为就需态,并且只会通知一次使用事件的就绪通知方式,通过epoll_ctl  注册fd ,一旦该fd就绪,内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd epoll_wait便可以收到通知

优点:

没有最大并发连接的限制:能打开的FD的上限远大于1024(1G的内存能监听约10万个端口),具体查看 /proc/sys/fs/file-max,此值和系统内存大小相关

效率提升:非轮询的方式,不会随着FD数目的增加而效率下降;只有活跃可用的FD才会调用callback 数,即epoll最大的优点就在于它只管理活跃的连接,而跟连接总数无关

内存拷贝,利用mmap(Memory Mapping)加速与内核空间的消息传递;epoll使用mmap减少复制开销 总结:

1epoll只是一组API,比起select这种扫描全部的文件描述符, epoll只读取就绪的文件描述符,再加入 基于事件的就绪通知机制,所以性能比较好

2、基于epoll的事件多路复用减少了进程间切换的次数,使得操作系统少做了相对于用户任务来说的无用 功。

3epollselect等多路复用方式来说,减少了遍历循环及内存拷贝的工作量,因为活跃连接只占总并发 连接的很小一部分。

最大并发连接数和内存有直接关系

1.4 零拷贝

1.4.1 零拷贝介绍
1.4.1.1 传统 Linux I/O 的问题

传统的 Linux 系统的标准 I/O 接口(readwrite)是基于数据拷贝的,也就是数据都是 copy_to_user    或者 copy_from_user,这样做的好处是,通过中间缓存的机制,减少磁盘 I/O 的操作,但是坏处也很明 显,大量数据的拷贝,用户态和内核态的频繁切换,会消耗大量的 CPU 资源,严重影响数据传输的性能,统计表明,在Linux协议栈中,数据包在内核态和用户态之间的拷贝所用的时间甚至占到了数据包整 个处理流程时间的57.1%

1.4.1.2 什么是零拷贝

零拷贝就是上述问题的一个解决方案,通过尽量避免拷贝操作来缓解 CPU 的压力。零拷贝并没有真正做 “0”拷贝,它更多是一种思想,很多的零拷贝技术都是基于这个思想去做的优化

1.4.2 零拷页相关技术
1.4.2.1 MMAP ( Memory Mapping )

mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。普通文件被映射到进程地址空间 后,进程可以向访问普通内存一样对文件进行访问。

mmap是一种内存映射文件的方法,即将一个文件或者其它对象映射到进程的地址空间,实现文件磁盘 地址和进程虚拟地址空间中一段虚拟地址的一一对映关系。

实现这样的映射关系后,进程就可以采用指针的方式读写操作这一段内存,而系统会自动回写脏页面到   对应的文件磁盘上,即完成了对文件的操作而不必再调用read,write等系统调用函数。相反,内核空间对 这段区域的修改也直接反映用户空间,从而可以实现不同进程间的文件共享。

内存映射减少数据在用户空间和内核空间之间的拷贝操作,适合大量数据传输

 

 

上面左图为传统读写,右图为MMAP.两者相比mmap要比普通的read系统调用少了一次copy的过程。因为 read调用,进程是无法直接访问kernel space的,所以在read系统调用返回前,内核需要将数据从内核    复制到进程指定的buffer。但mmap之后,进程可以直接访问mmap的数据(page cache)

1.4.2.2 SENDFILE

 1.4.2.3 DMA 辅助的 SENDFILE

 

二.Nginx 架构和安装

2.1 Nginx 概述

2.1.1 Nginx 介绍

Nginxengine X 2002年开发,分为社区版和商业版(nginx plus ) 2019311F5 Networks 6.7亿美元的价格收购

Nginx是免费的、开源的、高性能的HTTP和反向代理服务器、邮件代理服务器、以及TCP/UDP代理服务 

解决C10K问题(10K ConnectionsNginx官网:http://nginx.org

nginx的其它的二次发行版:

   Tengine:由淘宝网发起的Web服务器项目。它在Nginx的基础上,针对大访问量网站的需求,添加 了很多高级功能和特性。 Tengine的性能和稳定性已经在大型的网站如淘宝网,天猫商城等得到了    很好的检验。它的最终目标是打造一个高效、稳定、安全、易用的Web平台。从201112月开始, Tengine成为一个开源项目官网: The Tengine Web Server

.  OpenResty:基于 Nginx 与 Lua 语言的高性能 Web 平台, 章亦春团队开发,官网: http://openresty.org/cn/http://openresty.org/cn/

2.1.2 Nginx 功能介绍

  静态的web资源服务器html,图片,js css txt等静态资源 .    http/https协议的反向代理

  结合FastCGI/uWSGI/SCGI等协议反向代理动态资源请求 .    tcp/udp协议的请求转发(反向代理)

   imap4/pop3协议的反向代理

2.1.3 基础特性

  模块化设计,较好的扩展性

   高可靠性

   支持热部署:不停机更新配置文件,升级版本,更换日志文件

低内存消耗: 10000keep-alive连接模式下的非活动连接,仅需2.5M内存 .  event-driven,aio,mmap sendfile

2.1.4 Web 服务相关的功能

虚拟主机( server

支持 keep-alive 和管道连接(利用一个连接做多次请求)

访问日志(支持基于日志缓冲提高其性能)

路径别名

基于IP及用户的访问控制

支持速率限制及并发数限制

重新配置和在线升级而无须中断客户的工作进程

2.1.5核心特点

  1. 高并发、低资源
    采用 epoll/kqueue 事件驱动模型,单机可支撑数十万并发连接,内存消耗远低于传统 Apache(进程/线程模型)。

  2. 反向代理与负载均衡

    • 反向代理:隐藏后端服务器,统一入口,支持缓存静态内容(如图片、CSS/JS)。

    • 负载均衡:支持轮询、IP哈希、权重、最少连接等算法,可健康检查后端节点。

  3. 静态资源服务
    高效处理静态文件(通过 sendfile 零拷贝技术),常与 CDN 或文件存储(如 S3)配合。

  4. 模块化设计
    核心功能通过模块扩展,如:

    • ngx_http_rewrite_module(URL重写)

    • ngx_http_ssl_module(HTTPS/TLS)

    • ngx_http_upstream_module(负载均衡)

    • 第三方模块如 ngx_http_lua_module(嵌入Lua脚本实现动态逻辑)。

  5. 热部署与热升级
    支持平滑重启(nginx -s reload)和版本升级,不中断现有连接。


2.1.6常见使用场景

  • Web服务器:直接托管静态网站或作为动态应用(如PHP-FPM、Node.js)的前端。

  • 反向代理:统一入口,分发请求到多个后端(如微服务、Docker容器)。

  • API网关:通过 location 规则路由不同服务,结合限流(limit_req)、鉴权(JWT)等。

  • SSL终端:集中处理HTTPS加密,减轻后端压力。

2.2 Nginx 架构和进程

2.2.2 Nginx 进程结构

web请求处理机制

   多进程方式:服务器每接收到一个客户端请求就有服务器的主进程生成一个子进程响应客户端,直 到用户关闭连接,这样的优势是处理速度快,子进程之间相互独立,但是如果访问过大会导致服务 器资源耗尽而无法提供请求

   多线程方式:与多进程方式类似,但是每收到一个客户端请求会有服务进程派生出一个线程和此客 户端进行交互, 一个线程的开销远远小于一个进程,因此多线程方式在很大程度减轻了web服务器 对系统资源的要求,但是多线程也有自己的缺点,即当多个线程位于同一个进程内工作的时候,可 以相互访问同样的内存地址空间,所以他们相互影响,  一旦主进程挂掉则所有子线程都不能工作了, IIS服务器使用了多线程的方式,需要间隔一段时间就重启一次才能稳定。 Nginx是多进程组织模型,而且是一个由Master主进程和Worker工作进程组成。

主进程(master process)的功能:

  对外接口:接收外部的操作(信号)

  对内转发:根据外部的操作的不同,通过信号管理 Worker

 监控:监控 worker 进程的运行状态, worker 进程异常终止后,自动重启 worker 进程 

 建立、绑定和关闭socket连接

  按照配置生成、管理和结束工作进程

  接受外界指令,比如重启、升级及退出服务器等指令

  不中断服务,实现平滑升级,重启服务并应用新的配置 

   开启日志文件,获取文件描述符

  不中断服务,实现平滑升级,升级失败进行回滚处理 .  编译和处理perl脚本

工作进程(worker process)的功能:

  所有 Worker 进程都是平等的

  实际处理:网络请求,由 Worker 进程处理

   Worker进程数量: 一般设置为核心数,充分利用CPU源,同时避免进程数量过多,导致进程竞争 CPU资源,

  增加上下文切换的损耗 

  接受处理客户的请求

  将请求依次送入各个功能模块进行处理 

   I/O调用,获取响应数据

  与后端服务器通信,接收后端服务器的处理结果 

   缓存数据,访问缓存索引,查询和调用缓存数据 

  发送请求结果,响应客户的请求

2.2.1 Nginx 进程间通信

工作进程是由主进程生成的,主进程使用fork()函数,在Nginx服务器启动过程中主进程根据配置文件决 定启动工作进程的数量,然后建立一张全局的工作表用于存放当前未退出的所有的工作进程,主进程生 成工作进程后会将新生成的工作进程加入到工作进程表中,并建立一个单向的管道并将其传递给工作进 程,该管道与普通的管道不同,它是由主进程指向工作进程的单向通道,包含了主进程向工作进程发出 的指令、工作进程ID、工作进程在工作进程表中的索引和必要的文件描述符等信息。

主进程与外界通过信号机制进行通信,当接收到需要处理的信号时,它通过管道向相关的工作进程发送 正确的指令,每个工作进程都有能力捕获管道中的可读事件,当管道中有可读事件的时候,工作进程就 会从管道中读取并解析指令,然后采取相应的执行动作,这样就完成了主进程与工作进程的交互。

worker进程之间的通信原理基本上和主进程与worker进程之间的通信是一样的,只要worker进程之间能够  取得彼此的信息,建立管道即可通信,但是由于worker进程之间是完全隔离的,因此一个进程想要知道另外一 个进程的状态信息 ,就只能通过主进程来实现。

为了实现worker进程之间的交互,master进程在生成worker进程之后,worker进程表中进行遍历,将该 新进程的PID以及针对该进程建立的管道句柄传递给worker进程中的其他进程,为worker进程之间的通信做  准备,当worker进程1worker进程2发送指令的时候,首先在master进程给它的其他worker进程工作信息 中找到2的进程PID,然后将正确的指令写入指向进程2的管道,worker进程2捕获到管道中的事件后,解析指  令并进行相关操作,这样就完成了worker进程之间的通信。

worker进程可以通过共享内存来通讯的,比如upstream中的zone,或者limit_reqlimit_conn中的 zone等。操作系统提供了共享内存机制

 

2.2.2 Nginx 启动和 HTTP 连接建立

   Nginx 启动时, Master 进程,加载配置文件

   Master 进程,初始化监听的 socket

   Master 进程,fork 出多个 Worker 进程

   Worker 进程,竞争新的连接,获胜方通过三次握手,建立 Socket 连接,并处理请求

2.2.3 HTTP 处理过程 

2.3 Nginx 模块介绍

nginx 有多种模块

  核心模块:是 Nginx 服务器正常运行必不可少的模块,提供错误日志记录 、配置文件解析 、事件 驱动机制 、进程管理等核心功能

  标准HTTP模块:提供 HTTP 协议解析相关的功能,比如:  端口配置 、 网页编码设置 、 HTTP响应 头设置 等等

   可选HTTP模块:主要用于扩展标准的 HTTP 功能,让 Nginx 能处理一些特殊的服务,比如:  Flas

   邮件服务模块:主要用于支持 Nginx 的 邮件服务 包括对 POP3 协议、 IMAP 协议和 SMTP协议的 支持

  第三方模块:是为了扩展 Nginx 服务器应用,完成开发者自定义功能,比如:  Json 支持、 Lua  持等

nginx高度模块化,但其模块早期不支持DSO机制;1.9.11 版本支持动态装载和卸载 模块分类:

核心模块:core module

标准模块:

HTTP 模块: ngx_http_*

HTTP Core modules       #默认功能

HTTP Optional modules   #需编译时指定 Mail 模块: ngx_mail_*

Stream  ngx_stream_* 

第三方模块

 

以上为企业高性能web服务器Nginx的详细部署(理论篇)


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