22、Nginx 入门指南 - event 模块

2019-07-03

event 的类型和功能

Nginx 是以 event(事件)处理模型为基础的模块。它为了支持跨平台,抽象出了 event 模块。它支持的 event 处理类型有:AIO(异步IO),/dev/poll(Solaris 和 Unix 特有),epoll(Linux 特有),eventport(Solaris 10 特有),kqueue(BSD 特有),poll,rtsig(实时信号),select 等。

event 模块的主要功能就是,监听 accept 后建立的连接,对读写事件进行添加删除。事件处理模型和 Nginx 的非阻塞 IO 模型结合在一起使用。当 IO 可读可写的时候,相应的读写事件就会被唤醒,此时就会去处理事件的回调函数。

特别对于 Linux,Nginx 大部分 event 采用 epoll EPOLLET(边沿触发)的方法来触发事件,只有 listen 端口的读事件是 EPOLLLT(水平触发)。对于边沿触发,如果出现了可读事件,必须及时处理,否则可能会出现读事件不再触发,连接饿死的情况。

typedef struct {
        /* 添加删除事件 */
        ngx_int_t  (*add)(ngx_event_t *ev, ngx_int_t event, ngx_uint_t flags);
        ngx_int_t  (*del)(ngx_event_t *ev, ngx_int_t event, ngx_uint_t flags);

        ngx_int_t  (*enable)(ngx_event_t *ev, ngx_int_t event, ngx_uint_t flags);
        ngx_int_t  (*disable)(ngx_event_t *ev, ngx_int_t event, ngx_uint_t flags);

        /* 添加删除连接,会同时监听读写事件 */
        ngx_int_t  (*add_conn)(ngx_connection_t *c);
        ngx_int_t  (*del_conn)(ngx_connection_t *c, ngx_uint_t flags);

        ngx_int_t  (*process_changes)(ngx_cycle_t *cycle, ngx_uint_t nowait);
        /* 处理事件的函数 */
        ngx_int_t  (*process_events)(ngx_cycle_t *cycle, ngx_msec_t timer,
                                   ngx_uint_t flags);

        ngx_int_t  (*init)(ngx_cycle_t *cycle, ngx_msec_t timer);
        void       (*done)(ngx_cycle_t *cycle);
} ngx_event_actions_t;

上述是 event 处理抽象出来的关键结构体,可以看到,每个 event 处理模型,都需要实现部分功能。最关键的是 add 和 del 功能,就是最基本的添加和删除事件的函数。

accept 锁

Nginx 是多进程程序,80 端口是各进程所共享的,多进程同时 listen 80 端口,势必会产生竞争,也产生了所谓的“惊群”效应。当内核 accept 一个连接时,会唤醒所有等待中的进程,但实际上只有一个进程能获取连接,其他的进程都是被无效唤醒的。所以 Nginx 采用了自有的一套 accept 加锁机制,避免多个进程同时调用 accept。Nginx 多进程的锁在底层默认是通过 CPU 自旋锁来实现。如果操作系统不支持自旋锁,就采用文件锁。

Nginx 事件处理的入口函数是 ngx_process_events_and_timers(),下面是部分代码,可以看到其加锁的过程:

if (ngx_use_accept_mutex) {
        if (ngx_accept_disabled > 0) {
                ngx_accept_disabled--;

        } else {
                if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {
                        return;
                }

                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;
                        }
                }
        }
}

在 ngx_trylock_accept_mutex()函数里面,如果拿到了锁,Nginx 会把 listen 的端口读事件加入 event 处理,该进程在有新连接进来时就可以进行 accept 了。注意 accept 操作是一个普通的读事件。下面的代码说明了这点:

(void) ngx_process_events(cycle, timer, flags);

if (ngx_posted_accept_events) {
        ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_accept_events);
}

if (ngx_accept_mutex_held) {
        ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
}

ngx_process_events()函数是所有事件处理的入口,它会遍历所有的事件。抢到了 accept 锁的进程跟一般进程稍微不同的是,它被加上了 NGX_POST_EVENTS 标志,也就是说在 ngx_process_events() 函数里面只接受而不处理事件,并加入 post_events 的队列里面。直到 ngx_accept_mutex 锁去掉以后才去处理具体的事件。为什么这样?因为 ngx_accept_mutex 是全局锁,这样做可以尽量减少该进程抢到锁以后,从 accept 开始到结束的时间,以便其他进程继续接收新的连接,提高吞吐量。

ngx_posted_accept_events 和 ngx_posted_events 就分别是 accept 延迟事件队列和普通延迟事件队列。可以看到 ngx_posted_accept_events 还是放到 ngx_accept_mutex 锁里面处理的。该队列里面处理的都是 accept 事件,它会一口气把内核 backlog 里等待的连接都 accept 进来,注册到读写事件里。

而 ngx_posted_events 是普通的延迟事件队列。一般情况下,什么样的事件会放到这个普通延迟队列里面呢?我的理解是,那些 CPU 耗时比较多的都可以放进去。因为 Nginx 事件处理都是根据触发顺序在一个大循环里依次处理的,因为 Nginx 一个进程同时只能处理一个事件,所以有些耗时多的事件会把后面所有事件的处理都耽搁了。

除了加锁,Nginx 也对各进程的请求处理的均衡性作了优化,也就是说,如果在负载高的时候,进程抢到的锁过多,会导致这个进程被禁止接受请求一段时间。

比如,在 ngx_event_accept 函数中,有类似代码:

ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n / 8
              - ngx_cycle->free_connection_n;

ngx_cycle->connection_n 是进程可以分配的连接总数,ngx_cycle->free_connection_n 是空闲的进程数。上述等式说明了,当前进程的空闲进程数小于 1/8 的话,就会被禁止 accept 一段时间。

定时器

Nginx 在需要用到超时的时候,都会用到定时器机制。比如,建立连接以后的那些读写超时。Nginx 使用红黑树来构造定期器,红黑树是一种有序的二叉平衡树,其查找插入和删除的复杂度都为 O(logn),所以是一种比较理想的二叉树。

定时器的机制就是,二叉树的值是其超时时间,每次查找二叉树的最小值,如果最小值已经过期,就删除该节点,然后继续查找,直到所有超时节点都被删除。