Nginx服務(wù)器中accept鎖的機(jī)制與實(shí)現(xiàn)詳解

2018-12-19 22:18:05 來源：NOWHERE作者：佚名人氣：次閱讀 530 條評論

文章主要給大家介紹了關(guān)于Nginx中accept鎖的機(jī)制與實(shí)現(xiàn)的相關(guān)資料，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，...

文章主要給大家介紹了關(guān)于Nginx中accept鎖的機(jī)制與實(shí)現(xiàn)的相關(guān)資料，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

前言

nginx采用多進(jìn)程的模,當(dāng)一個請求過來的時候,系統(tǒng)會對進(jìn)程進(jìn)行加鎖操作,保證只有一個進(jìn)程來接受請求。

本文基于Nginx 0.8.55源代碼，并基于epoll機(jī)制分析

1. accept鎖的實(shí)現(xiàn)

1.1 accpet鎖是個什么東西

提到accept鎖，就不得不提起驚群問題。

所謂驚群問題，就是指的像Nginx這種多進(jìn)程的服務(wù)器，在fork后同時監(jiān)聽同一個端口時，如果有一個外部連接進(jìn)來，會導(dǎo)致所有休眠的子進(jìn)程被喚醒，而最終只有一個子進(jìn)程能夠成功處理accept事件，其他進(jìn)程都會重新進(jìn)入休眠中。這就導(dǎo)致出現(xiàn)了很多不必要的schedule和上下文切換，而這些開銷是完全不必要的。

而在Linux內(nèi)核的較新版本中，accept調(diào)用本身所引起的驚群問題已經(jīng)得到了解決，但是在Nginx中，accept是交給epoll機(jī)制來處理的，epoll的accept帶來的驚群問題并沒有得到解決（應(yīng)該是epoll_wait本身并沒有區(qū)別讀事件是否來自于一個Listen套接字的能力，所以所有監(jiān)聽這個事件的進(jìn)程會被這個epoll_wait喚醒。），所以Nginx的accept驚群問題仍然需要定制一個自己的解決方案。

accept鎖就是nginx的解決方案，本質(zhì)上這是一個跨進(jìn)程的互斥鎖，以這個互斥鎖來保證只有一個進(jìn)程具備監(jiān)聽accept事件的能力。

實(shí)現(xiàn)上accept鎖是一個跨進(jìn)程鎖，其在Nginx中是一個全局變量，聲明如下：

ngx_shmtx_t ngx_accept_mutex;

這是一個在event模塊初始化時就分配好的鎖，放在一塊進(jìn)程間共享的內(nèi)存中，以保證所有進(jìn)程都能訪問這一個實(shí)例，其加鎖解鎖是借由linux的原子變量來做CAS，如果加鎖失敗則立即返回，是一種非阻塞的鎖。加解鎖代碼如下：

static ngx_inline ngx_uint_t
ngx_shmtx_trylock(ngx_shmtx_t *mtx)
{
return (*mtx->lock == 0 && ngx_atomic_cmp_set(mtx->lock, 0, ngx_pid));
}
#define ngx_shmtx_lock(mtx) ngx_spinlock((mtx)->lock, ngx_pid, 1024)
#define ngx_shmtx_unlock(mtx) (void) ngx_atomic_cmp_set((mtx)->lock, ngx_pid, 0)

可以看出，調(diào)用ngx_shmtx_trylock失敗后會立刻返回而不會阻塞。

1.2 accept鎖如何保證只有一個進(jìn)程能夠處理新連接

要解決epoll帶來的accept鎖的問題也很簡單，只需要保證同一時間只有一個進(jìn)程注冊了accept的epoll事件即可。
Nginx采用的處理模式也沒什么特別的，大概就是如下的邏輯：

嘗試獲取accept鎖
if 獲取成功：
在epoll中注冊accept事件
else:
在epoll中注銷accept事件
處理所有事件
釋放accept鎖

當(dāng)然這里忽略了延后事件的處理，這部分我們放到后面討論。

對于accept鎖的處理和epoll中注冊注銷accept事件的的處理都是在ngx_trylock_accept_mutex中進(jìn)行的。而這一系列過程則是在nginx主體循環(huán)中反復(fù)調(diào)用的void ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle)中進(jìn)行。

也就是說，每輪事件的處理都會首先競爭accept鎖，競爭成功則在epoll中注冊accept事件，失敗則注銷accept事件，然后處理完事件之后，釋放accept鎖。由此只有一個進(jìn)程監(jiān)聽一個listen套接字，從而避免了驚群問題。

1.3 事件處理機(jī)制為不長時間占用accept鎖作了哪些努力

accept鎖處理驚群問題的方案看起來似乎很美，但如果完全使用上述邏輯，就會有一個問題：如果服務(wù)器非常忙，有非常多事件要處理，那么“處理所有事件這一步”就會消耗非常長的時間，也就是說，某一個進(jìn)程長時間占用accept鎖，而又無暇處理新連接；其他進(jìn)程又沒有占用accept鎖，同樣無法處理新連接——至此，新連接就處于無人處理的狀態(tài)，這對服務(wù)的實(shí)時性無疑是很要命的。

為了解決這個問題，Nginx采用了將事件處理延后的方式。即在ngx_process_events的處理中，僅僅將事件放入兩個隊(duì)列中：

ngx_thread_volatile ngx_event_t *ngx_posted_accept_events;
ngx_thread_volatile ngx_event_t *ngx_posted_events;

返回后先處理ngx_posted_accept_events后立刻釋放accept鎖，然后再慢慢處理其他事件。

即ngx_process_events僅對epoll_wait進(jìn)行處理，事件的消費(fèi)則放到accept鎖釋放之后，來最大限度地縮短占有accept的時間，來讓其他進(jìn)程也有足夠的時機(jī)處理accept事件。

那么具體是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？其實(shí)就是在static ngx_int_t ngx_epoll_process_events(ngx_cycle_t *cycle, ngx_msec_t timer, ngx_uint_t flags)的flags參數(shù)中傳入一個NGX_POST_EVENTS的標(biāo)志位，處理事件時檢查這個標(biāo)志位即可。

這里只是避免了事件的消費(fèi)對于accept鎖的長期占用，那么萬一epoll_wait本身占用的時間很長呢？這種事情也不是不可能發(fā)生。這方面的處理也很簡單，epoll_wait本身是有超時時間的，限制住它的值就可以了，這個參數(shù)保存在ngx_accept_mutex_delay這個全局變量中。

下面放上ngx_process_events_and_timers 的實(shí)現(xiàn)代碼，可以大概一觀相關(guān)的處理：

void
ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle)
{
ngx_uint_t flags;
ngx_msec_t timer, delta;
/* 省略一些處理時間事件的代碼 */
// 這里是處理負(fù)載均衡鎖和accept鎖的時機(jī)
if (ngx_use_accept_mutex) {
// 如果負(fù)載均衡token的值大于0, 則說明負(fù)載已滿，此時不再處理accept, 同時把這個值減一
if (ngx_accept_disabled > 0) {
ngx_accept_disabled--;
} else {
// 嘗試拿到accept鎖
if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {
return;
}
// 拿到鎖之后把flag加上post標(biāo)志，讓所有事件的處理都延后
// 以免太長時間占用accept鎖
if (ngx_accept_mutex_held) {
flags |= NGX_POST_EVENTS;
} else {
if (timer == NGX_TIMER_INFINITE
|| timer > ngx_accept_mutex_delay)
{
timer = ngx_accept_mutex_delay; // 最多等ngx_accept_mutex_delay個毫秒，防止占用太久accept鎖
}
}
}
}
delta = ngx_current_msec;
// 調(diào)用事件處理模塊的process_events，處理一個epoll_wait的方法
(void) ngx_process_events(cycle, timer, flags);
delta = ngx_current_msec - delta; //計(jì)算處理events事件所消耗的時間
ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0,
"timer delta: %M", delta);
// 如果有延后處理的accept事件，那么延后處理這個事件
if (ngx_posted_accept_events) {
ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_accept_events);
}
// 釋放accept鎖
if (ngx_accept_mutex_held) {
ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
}
// 處理所有的超時事件
if (delta) {
ngx_event_expire_timers();
}
ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0,
"posted events %p", ngx_posted_events);
if (ngx_posted_events) {
if (ngx_threaded) {
ngx_wakeup_worker_thread(cycle);
} else {
// 處理所有的延后事件
ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_events);
}
}
}