Nginx中accept鎖的機制與實現(xiàn)詳解

更新時間：2018年12月03日 16:02:46 作者：NOWHERE

這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于Nginx中accept鎖的機制與實現(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機制分析

1. accept鎖的實現(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)程也有足夠的時機處理accept事件。

那么具體是怎么實現(xiàn)的呢？其實就是在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         
 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);    
  }                  
 }                   
}

再來看看ngx_epoll_process_events的相關(guān)處理：

  // 讀事件                                       
  if ((revents & EPOLLIN) && rev->active) {
   if ((flags & NGX_POST_THREAD_EVENTS) && !rev->accept) {
    rev->posted_ready = 1;

   } else {
    rev->ready = 1;
   }                                        
   if (flags & NGX_POST_EVENTS) {
    queue = (ngx_event_t **) (rev->accept ?
        &ngx_posted_accept_events : &ngx_posted_events);
    ngx_locked_post_event(rev, queue);
   } else {
    rev->handler(rev);
   }
  }                                         
  wev = c->write;

  // 寫事件
  if ((revents & EPOLLOUT) && wev->active) {
   if (flags & NGX_POST_THREAD_EVENTS) {
    wev->posted_ready = 1;
   } else {
    wev->ready = 1;
   }

   if (flags & NGX_POST_EVENTS) {
    ngx_locked_post_event(wev, &ngx_posted_events);
   } else {
    wev->handler(wev);
   }
  }

處理也相對簡單，如果拿到了accept鎖，就會有NGX_POST_EVENTS標(biāo)志那么就會放到相應(yīng)的隊列中。沒有的話就會直接處理事件。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對腳本之家的支持。

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