一文讀懂Nginx、Apache工作原理

Nginx才短短幾年，就拿下了web服務(wù)器大筆江山，眾所周知，Nginx在處理大并發(fā)靜態(tài)請求方面，效率明顯高于httpd，甚至能輕松解決C10K問題。

在高并發(fā)連接的情況下，Nginx是Apache服務(wù)器不錯的替代品。Nginx同時也可以作為7層負載均衡服務(wù)器來使用。根據(jù)我的測試結(jié)果，Nginx 0.7.14 + PHP 5.2.6 （FastCGI） 可以承受3萬以上的并發(fā)連接數(shù)，相當于同等環(huán)境下Apache的10倍。

一般來說，4GB內(nèi)存的服務(wù)器+Apache（prefork模式）一般只能處理3000個并發(fā)連接，因為它們將占用3GB以上的內(nèi)存，還得為系統(tǒng)預(yù)留1GB的內(nèi)存。我曾經(jīng)就有兩臺Apache服務(wù)器，因為在配置文件中設(shè)置的MaxClients為4000，當Apache并發(fā)連接數(shù)達到3800時，導(dǎo)致服務(wù)器內(nèi)存和Swap空間用滿而崩潰。

而這臺 Nginx 0.7.14 + PHP 5.2.6 （FastCGI） 服務(wù)器在3萬并發(fā)連接下，開啟的10個Nginx進程消耗150M內(nèi)存（15M*10=150M），開啟的64個php-cgi進程消耗1280M內(nèi)存（20M*64=1280M），加上系統(tǒng)自身消耗的內(nèi)存，總共消耗不到2GB內(nèi)存。如果服務(wù)器內(nèi)存較小，完全可以只開啟25個php-cgi進程，這樣php-cgi消耗的總內(nèi)存數(shù)才500M。

在3萬并發(fā)連接下，訪問Nginx 0.7.14 + PHP 5.2.6 （FastCGI） 服務(wù)器的PHP程序，仍然速度飛快。

為什么Nginx在處理高并發(fā)方面要優(yōu)于httpd，我們先從兩種web服務(wù)器的工作原理以及工作模式說起。

apache三種工作模式

我們都知道Apache有三種工作模塊，分別為prefork、worker、event。

prefork：多進程，每個請求用一個進程響應(yīng)，這個過程會用到select機制來通知。

worker：多線程，一個進程可以生成多個線程，每個線程響應(yīng)一個請求，但通知機制還是select不過可以接受更多的請求。

event：基于異步I/O模型，一個進程或線程，每個進程或線程響應(yīng)多個用戶請求，它是基于事件驅(qū)動（也就是epoll機制）實現(xiàn)的。

4.2 prefork的工作原理

如果不用“--with-mpm”顯式指定某種MPM，prefork就是Unix平臺上缺省的MPM.它所采用的預(yù)派生子進程方式也是 Apache1.3中采用的模式。prefork本身并沒有使用到線程，2.0版使用它是為了與1.3版保持兼容性；另一方面，prefork用單獨的子進程來處理不同的請求，進程之間是彼此獨立的，這也使其成為最穩(wěn)定的MPM之一。

4.3 worker的工作原理

相對于prefork，worker是2.0版中全新的支持多線程和多進程混合模型的MPM。由于使用線程來處理，所以可以處理相對海量的請求，而系統(tǒng)資源的開銷要小于基于進程的服務(wù)器。但是，worker也使用了多進程，每個進程又生成多個線程，以獲得基于進程服務(wù)器的穩(wěn)定性，這種MPM的工作方 式將是Apache2.0的發(fā)展趨勢。

4.4 event 基于事件機制的特性

一個進程響應(yīng)多個用戶請求，利用callback機制，讓套接字復(fù)用，請求過來后進程并不處理請求，而是直接交由其他機制來處理，通過epoll機制來通知請求是否完成；在這個過程中，進程本身一直處于空閑狀態(tài)，可以一直接收用戶請求。可以實現(xiàn)一個進程程響應(yīng)多個用戶請求。支持持海量并發(fā)連接數(shù)，消耗更少的資源。

如何提高Web服務(wù)器的并發(fā)連接處理能力

有幾個基本條件：

1.基于線程，即一個進程生成多個線程，每個線程響應(yīng)用戶的每個請求。

2.基于事件的模型，一個進程處理多個請求，并且通過epoll機制來通知用戶請求完成。

3.基于磁盤的AIO（異步I/O）

4.支持mmap內(nèi)存映射，mmap傳統(tǒng)的web服務(wù)器，進行頁面輸入時，都是將磁盤的頁面先輸入到內(nèi)核緩存中，再由內(nèi)核緩存中復(fù)制一份到web服務(wù)器上，mmap機制就是讓內(nèi)核緩存與磁盤進行映射，web服務(wù)器，直接復(fù)制頁面內(nèi)容即可。不需要先把磁盤的上的頁面先輸入到內(nèi)核緩存去。

剛好，Nginx 支持以上所有特性。所以Nginx官網(wǎng)上說，Nginx支持50000并發(fā)，是有依據(jù)的。

Nginx優(yōu)異之處

傳統(tǒng)上基于進程或線程模型架構(gòu)的web服務(wù)通過每進程或每線程處理并發(fā)連接請求，這勢必會在網(wǎng)絡(luò)和I/O操作時產(chǎn)生阻塞，其另一個必然結(jié)果則是對內(nèi)存或CPU的利用率低下。生成一個新的進程/線程需要事先備好其運行時環(huán)境，這包括為其分配堆內(nèi)存和棧內(nèi)存，以及為其創(chuàng)建新的執(zhí)行上下文等。這些操作都需要占用CPU，而且過多的進程/線程還會帶來線程抖動或頻繁的上下文切換，系統(tǒng)性能也會由此進一步下降。另一種高性能web服務(wù)器/web服務(wù)器反向代理：Nginx（Engine X），nginx的主要著眼點就是其高性能以及對物理計算資源的高密度利用，因此其采用了不同的架構(gòu)模型。受啟發(fā)于多種操作系統(tǒng)設(shè)計中基于“事件”的高級處理機制，nginx采用了模塊化、事件驅(qū)動、異步、單線程及非阻塞的架構(gòu)，并大量采用了多路復(fù)用及事件通知機制。在nginx中，連接請求由為數(shù)不多的幾個僅包含一個線程的進程worker以高效的回環(huán)（run-loop）機制進行處理，而每個worker可以并行處理數(shù)千個的并發(fā)連接及請求。

Nginx 工作原理

Nginx會按需同時運行多個進程：一個主進程（master）和幾個工作進程（worker），配置了緩存時還會有緩存加載器進程（cache loader）和緩存管理器進程（cache manager）等。所有進程均是僅含有一個線程，并主要通過“共享內(nèi)存”的機制實現(xiàn)進程間通信。主進程以root用戶身份運行，而worker、cache loader和cache manager均應(yīng)以非特權(quán)用戶身份運行。

在高連接并發(fā)的情況下，Nginx是Apache服務(wù)器不錯的替代品

Nginx 安裝非常的簡單 ， 配置文件非常簡潔（還能夠支持perl語法），Bugs 非常少的服務(wù)器： Nginx 啟動特別容易， 并且?guī)缀蹩梢宰龅?*24不間斷運行，即使運行數(shù)個月也不需要重新啟動。 你還能夠 不間斷服務(wù)的情況下進行軟件版本的升級 。

Nginx 的誕生主要解決C10K問題

最后我們從各自使用的多路復(fù)用IO模型來分析：

select模型：（apache使用，由于受模塊等限制，用的不多）

單個進程能夠 監(jiān)視的文件描述符的數(shù)量存在最大限制

select（）所維護的 存儲大量文件描述符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ，隨著文件描述符數(shù)量的增長，其在用戶態(tài)和內(nèi)核的地址空間的復(fù)制所引發(fā)的開銷也會線性增長

由于網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間的延遲使得大量TCP連接處于非活躍狀態(tài)，但調(diào)用select（）還是會對 所有的socket進行一次線性掃描 ，會造成一定的開銷

poll：poll是unix沿用select自己重新實現(xiàn)了一遍，唯一解決的問題是poll 沒有最大文件描述符數(shù)量的限制

epoll模型：（nginx使用）

epoll帶來了兩個優(yōu)勢，大幅度提升了性能：

基于事件的就緒通知方式 ，select/poll方式，進程只有在調(diào)用一定的方法后，內(nèi)核才會對所有監(jiān)視的文件描述符進行掃描，而epoll事件通過epoll_ctl（）注冊一個文件描述符，一旦某個文件描述符就緒時，內(nèi)核會采用類似call back的回調(diào)機制，迅速激活這個文件描述符，epoll_wait（）便會得到通知

調(diào)用一次epoll_wait（）獲得就緒文件描述符時，返回的并不是實際的描述符，而是一個代表就緒描述符數(shù)量的值，拿到這些值去epoll指定的一個數(shù)組中依次取得相應(yīng)數(shù)量的文件描述符即可，這里使用內(nèi)存映射（mmap）技術(shù)， 避免了復(fù)制大量文件描述符帶來的開銷

當然epoll也有一定的局限性， epoll只有Linux2.6才有實現(xiàn) ，而其他平臺都沒有，這和apache這種優(yōu)秀的跨平臺服務(wù)器，顯然是有些背道而馳了。

簡單來說epoll是select的升級版，單進程管理的文件描述符沒有最大限制。但epoll只有l(wèi)inux平臺可使用。作為跨平臺的Apache沒有使用