worker_processes为什么要设置和cpu核数一致?

nginx在启动后,在unix系统中会以daemon的方式在后台运行,后台进程包含一个master进程和多个worker进程。

master进程主要用来管理worker进程,包含:接收来自外界的信号,向各worker进程发送信号,监控worker进程的运行状态,当worker进程退出后(异常情况下),会自动重新启动新的worker进程。而基本的网络事件,则是放在worker进程中来处理了。多个worker进程之间是对等的,他们同等竞争来自客户端的请求,各进程互相之间是独立的。一个请求,只可能在一个worker进程中处理,一个worker进程,不可能处理其它进程的请求。worker进程的个数是可以设置的,一般我们会设置与机器cpu核数一致,这里面的原因与nginx的进程模型以及事件处理模型是分不开的。

在nginx启动后,如果我们要操作nginx,要怎么做呢?从上文中我们可以看到,master来管理worker进程,所以我们只需要与master进程通信就行了。master进程会接收来自外界发来的信号,再根据信号做不同的事情。所以我们要控制nginx,只需要通过kill向master进程发送信号就行了。比如kill -HUP pid,则是告诉nginx,从容地重启nginx,我们一般用这个信号来重启nginx,或重新加载配置,因为是从容地重启,因此服务是不中断的。master进程在接收到HUP信号后是怎么做的呢?首先master进程在接到信号后,会先重新加载配置文件,然后再启动新的进程,并向所有老的进程发送信号,告诉他们可以光荣退休了。新的进程在启动后,就开始接收新的请求,而老的进程在收到来自master的信号后,就不再接收新的请求,并且在当前进程中的所有未处理完的请求处理完成后,再退出。当然,直接给master进程发送信号,这是比较老的操作方式,nginx在0.8版本之后,引入了一系列命令行参数,来方便我们管理。比如,./nginx -s reload,就是来重启nginx,./nginx -s stop,就是来停止nginx的运行。如何做到的呢?我们还是拿reload来说,我们看到,执行命令时,我们是启动一个新的nginx进程,而新的nginx进程在解析到reload参数后,就知道我们的目的是控制nginx来重新加载配置文件了,它会向master进程发送信号,然后接下来的动作,就和我们直接向master进程发送信号一样了。

现在,我们知道了当我们在操作nginx的时候,nginx内部做了些什么事情,那么,worker进程又是如何处理请求的呢?我们前面有提到,worker进程之间是平等的,每个进程,处理请求的机会也是一样的。当我们提供80端口的http服务时,一个连接请求过来,每个进程都有可能处理这个连接,怎么做到的呢?首先,每个worker进程都是从master进程fork过来,在master进程里面,先建立好需要listen的socket之后,然后再fork出多个worker进程,这样每个worker进程都可以去accept这个socket(当然不是同一个socket,只是每个进程的这个socket会监控在同一个ip地址与端口,这个在网络协议里面是允许的)。一般来说,当一个连接进来后,所有在accept在这个socket上面的进程,都会收到通知,而只有一个进程可以accept这个连接,其它的则accept失败,这是所谓的惊群现象。当然,nginx也不会视而不见,所以nginx提供了一个accept_mutex这个东西,从名字上,我们可以看这是一个加在accept上的一把共享锁。有了这把锁之后,同一时刻,就只会有一个进程在accpet连接,这样就不会有惊群问题了。accept_mutex是一个可控选项,我们可以显示地关掉,默认是打开的。当一个worker进程在accept这个连接之后,就开始读取请求,解析请求,处理请求,产生数据后,再返回给客户端,最后才断开连接,这样一个完整的请求就是这样的了。我们可以看到,一个请求,完全由worker进程来处理,而且只在一个worker进程中处理。

那么,nginx采用这种进程模型有什么好处呢?当然,好处肯定会很多了。首先,对于每个worker进程来说,独立的进程,不需要加锁,所以省掉了锁带来的开销,同时在编程以及问题查上时,也会方便很多。其次,采用独立的进程,可以让互相之间不会影响,一个进程退出后,其它进程还在工作,服务不会中断,master进程则很快重新启动新的worker进程。当然,worker进程的异常退出,肯定是程序有bug了,异常退出,会导致当前worker上的所有请求失败,不过不会影响到所有请求,所以降低了风险。当然,好处还有很多,大家可以慢慢体会。

上面讲了很多关于nginx的进程模型,接下来,我们来看看nginx的是如何处理事件的。

有人可能要问了,nginx采用多worker的方式来处理请求,每个worker里面只有一个主线程,那能够处理的并发数很有限啊,多少个worker就能处理多少个并发,何来高并发呢?非也,这就是nginx的高明之处,nginx采用了异步非阻塞的方式来处理请求,也就是说,nginx是可以同时处理成千上万个请求的。想想apache的常用工作方式(apache也有异步非阻塞版本,但因其与自带某些模块冲突,所以不常用),每个请求会独占一个工作线程,当并发数上到几千时,就同时有几千的线程在处理请求了。这对操作系统来说,是个不小的挑战,线程带来的内存占用非常大,线程的上下文切换带来的cpu开销很大,自然性能就上不去了,而这些开销完全是没有意义的。

为什么nginx可以采用异步非阻塞的方式来处理呢,或者异步非阻塞到底是怎么回事呢?我们先回到原点,看看一个请求的完整过程。首先,请求过来,要建立连接,然后再接收数据,接收数据后,再发送数据。具体到系统底层,就是读写事件,而当读写事件没有准备好时,必然不可操作,如果不用非阻塞的方式来调用,那就得阻塞调用了,事件没有准备好,那就只能等了,等事件准备好了,你再继续吧。阻塞调用会进入内核等待,cpu就会让出去给别人用了,对单线程的worker来说,显然不合适,当网络事件越多时,大家都在等待呢,cpu空闲下来没人用,cpu利用率自然上不去了,更别谈高并发了。好吧,你说加进程数,这跟apache的线程模型有什么区别,注意,别增加无谓的上下文切换 ?所以,在nginx里面,最忌讳阻塞的系统调用了。不要阻塞,那就非阻塞喽。非阻塞就是,事件没有准备好,马上返回EAGAIN,告诉你,事件还没准备好呢,你慌什么,过会再来吧。好吧,你过一会,再来检查一下事件,直到事件准备好了为止,在这期间,你就可以先去做其它事情,然后再来看看事件好了没。虽然不阻塞了,但你得不时地过来检查一下事件的状态,你可以做更多的事情了,但带来的开销也是不小的。所以,才会有了异步非阻塞的事件处理机制,具体到系统调用就是像select/poll/epoll/kqueue这样的系统调用。它们提供了一种机制,让你可以同时监控多个事件,调用他们是阻塞的,但可以设置超时时间,在超时时间之内,如果有事件准备好了,就返回。这种机制正好解决了我们上面的两个问题,拿epoll为例(在后面的例子中,我们多以epoll为例子,以代表这一类函数),当事件没准备好时,放到epoll里面,事件准备好了,我们就去读写,当读写返回EAGAIN时,我们将它再次加入到epoll里面。这样,只要有事件准备好了,我们就去处理它,只有当所有事件都没准备好时,才在epoll里面等着。这样,我们就可以并发处理大量的并发了,当然,这里的并发请求,是指未处理完的请求,线程只有一个,所以同时能处理的请求当然只有一个了,只是在请求间进行不断地切换而已,切换也是因为异步事件未准备好,而主动让出的。这里的切换是没有任何代价,你可以理解为循环处理多个准备好的事件,事实上就是这样的。与多线程相比,这种事件处理方式是有很大的优势的,不需要创建线程,每个请求占用的内存也很少,没有上下文切换,事件处理非常的轻量级。并发数再多也不会导致无谓的资源浪费(上下文切换)。更多的并发数,只是会占用更多的内存而已。 我之前有对连接数进行过测试,在24G内存的机器上,处理的并发请求数达到过200万。现在的网络服务器基本都采用这种方式,这也是nginx性能高效的主要原因。

我们之前说过,推荐设置worker的个数为cpu的核数,在这里就很容易理解了,更多的worker数,只会导致进程来竞争cpu资源了,从而带来不必要的上下文切换。而且,nginx为了更好的利用多核特性,提供了cpu亲缘性的绑定选项,我们可以将某一个进程绑定在某一个核上,这样就不会因为进程的切换带来cache的失效。像这种小的优化在nginx中非常常见,同时也说明了nginx作者的苦心孤诣。比如,nginx在做4个字节的字符串比较时,会将4个字符转换成一个int型,再作比较,以减少cpu的指令数等等。

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