Nginx学习笔记(二) Nginx--connection&request

Nginx--connection&request

  在Nginx中,主要包括了连接与处理两部分。

connection

  在src/core文件夹下包含有connection的源文件,Ngx_connection.h/Ngx_connection.c中可以找到SOCK_STREAM,也就是说Nginx是基于TCP连接的。

连接过程

  对于应用程序,首先第一步肯定是加载并解析配置文件,Nginx同样如此,这样可以获得需要监听的端口和IP地址。之后,Nginx就要创建master进程,并建立socket,这样就可以创建多个worker进程来,每个worker进程都可以accept连接请求。当通过三次握手成功建立一个连接后,nginx的某一个worker进程会accept成功,得到这个建立好的连接的socket,然后创建ngx_connection_t结构体,存储客户端相关内容。

  这样建立好连接后,服务器和客户端就可以正常进行读写事件了。连接完成后就可以释放掉ngx_connection_t结构体了。

  同样,Nginx也可以作为客户端,这样就需要先创建一个ngx_connection_t结构体,然后创建socket,并设置socket的属性( 比如非阻塞)。然后再通过添加读写事件,调用connect/read/write来调用连接,最后关掉连接,并释放ngx_connection_t。

struct ngx_connection_s {
    void               *data;
    ngx_event_t        *read;
    ngx_event_t        *write;

    ngx_socket_t        fd;

    ngx_recv_pt         recv;
    ngx_send_pt         send;
    ngx_recv_chain_pt   recv_chain;
    ngx_send_chain_pt   send_chain;

    ngx_listening_t    *listening;

    off_t               sent;

    ngx_log_t          *log;

    ngx_pool_t         *pool;

    struct sockaddr    *sockaddr;
    socklen_t           socklen;
    ngx_str_t           addr_text;

#if (NGX_SSL)
    ngx_ssl_connection_t  *ssl;
#endif

    struct sockaddr    *local_sockaddr;

    ngx_buf_t          *buffer;

    ngx_queue_t         queue;

    ngx_atomic_uint_t   number;

    ngx_uint_t          requests;

    unsigned            buffered:8;

    unsigned            log_error:3;     /* ngx_connection_log_error_e */

    unsigned            unexpected_eof:1;
    unsigned            timedout:1;
    unsigned            error:1;
    unsigned            destroyed:1;

    unsigned            idle:1;
    unsigned            reusable:1;
    unsigned            close:1;

    unsigned            sendfile:1;
    unsigned            sndlowat:1;
    unsigned            tcp_nodelay:2;   /* ngx_connection_tcp_nodelay_e */
    unsigned            tcp_nopush:2;    /* ngx_connection_tcp_nopush_e */

#if (NGX_HAVE_IOCP)
    unsigned            accept_context_updated:1;
#endif

#if (NGX_HAVE_AIO_SENDFILE)
    unsigned            aio_sendfile:1;
    ngx_buf_t          *busy_sendfile;
#endif

#if (NGX_THREADS)
    ngx_atomic_t        lock;
#endif
};
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连接池

   在linux系统中,每一个进程能够打开的文件描述符fd是有限的,而每创建一个socket就会占用一个fd,这样创建的socket就会有限的。在Nginx中,采用连接池的方法,可以避免这个问题。

   Nginx在实现时,是通过一个连接池来管理的,每个worker进程都有一个独立的连接池,连接池的大小是worker_connections。这里的连接池里面保存的其实不是真实的连接,它只是一个worker_connections大小的一个ngx_connection_t结构的数组。并且,nginx会通过一个链表free_connections来保存所有的空闲ngx_connection_t,每次获取一个连接时,就从空闲连接链表中获取一个,用完后,再放回空闲连接链表里面(这样就节省了创建与销毁connection结构的开销)。

  所以对于一个Nginx服务器来说,它所能创建的连接数也就是socket连接数目可以达到worker_processes(worker数)*worker_connections。

竞争问题

  对于多个worker进程同时accpet时产生的竞争,有可能导致某一worker进程accept了大量的连接,而其他worker进程却没有几个连接,这样就导致了负载不均衡,对于负载重的worker进程中的连接响应时间必然会增大。很显然,这是不公平的,有的进程有空余连接,却没有处理机会,有的进程因为没有空余连接,却人为地丢弃连接。

  nginx中存在accept_mutex选项,只有获得了accept_mutex的进程才会去添加accept事件,也就是说,nginx会控制进程是否添加accept事件。nginx使用一个叫ngx_accept_disabled的变量来控制进程是否去竞争accept_mutex锁。

ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n / 8 - ngx_cycle->free_connection_n;  //可以看出来随着空余连接的增加,disabled的值降低
 if (ngx_use_accept_mutex) {
        if (ngx_accept_disabled > 0) {           //当disabled的值大于0时,禁止竞争,但每次-1
            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;
                }
            }
        }
}

request

  在nginx中,request是http请求,具体到nginx中的数据结构是ngx_http_request_t。ngx_http_request_t是对一个http请求的封装。 

struct ngx_http_request_s {
    uint32_t                          signature;         /* "HTTP" */

    ngx_connection_t                 *connection;

    void                            **ctx;
    void                            **main_conf;
    void                            **srv_conf;
    void                            **loc_conf;

    ngx_http_event_handler_pt         read_event_handler;
    ngx_http_event_handler_pt         write_event_handler;

#if (NGX_HTTP_CACHE)
    ngx_http_cache_t                 *cache;
#endif

    ngx_http_upstream_t              *upstream;
    ngx_array_t                      *upstream_states;
                                         /* of ngx_http_upstream_state_t */

    ngx_pool_t                       *pool;
    ngx_buf_t                        *header_in;

    ngx_http_headers_in_t             headers_in;
    ngx_http_headers_out_t            headers_out;

    ngx_http_request_body_t          *request_body;

    time_t                            lingering_time;
    time_t                            start_sec;
    ngx_msec_t                        start_msec;

    ngx_uint_t                        method;
    ngx_uint_t                        http_version;

    ngx_str_t                         request_line;
    ngx_str_t                         uri;
    ngx_str_t                         args;
    ngx_str_t                         exten;
    ngx_str_t                         unparsed_uri;

    ngx_str_t                         method_name;
    ngx_str_t                         http_protocol;

    ngx_chain_t                      *out;
    ngx_http_request_t               *main;
    ngx_http_request_t               *parent;
    ngx_http_postponed_request_t     *postponed;
    ngx_http_post_subrequest_t       *post_subrequest;
    ngx_http_posted_request_t        *posted_requests;

    ngx_int_t                         phase_handler;
    ngx_http_handler_pt               content_handler;
    ngx_uint_t                        access_code;

    ngx_http_variable_value_t        *variables;

#if (NGX_PCRE)
    ngx_uint_t                        ncaptures;
    int                              *captures;
    u_char                           *captures_data;
#endif

    size_t                            limit_rate;

    /* used to learn the Apache compatible response length without a header */
    size_t                            header_size;

    off_t                             request_length;

    ngx_uint_t                        err_status;

    ngx_http_connection_t            *http_connection;
#if (NGX_HTTP_SPDY)
    ngx_http_spdy_stream_t           *spdy_stream;
#endif

    ngx_http_log_handler_pt           log_handler;

    ngx_http_cleanup_t               *cleanup;

    unsigned                          subrequests:8;
    unsigned                          count:8;
    unsigned                          blocked:8;

    unsigned                          aio:1;

    unsigned                          http_state:4;

    /* URI with "/." and on Win32 with "//" */
    unsigned                          complex_uri:1;

    /* URI with "%" */
    unsigned                          quoted_uri:1;

    /* URI with "+" */
    unsigned                          plus_in_uri:1;

    /* URI with " " */
    unsigned                          space_in_uri:1;

    unsigned                          invalid_header:1;

    unsigned                          add_uri_to_alias:1;
    unsigned                          valid_location:1;
    unsigned                          valid_unparsed_uri:1;
    unsigned                          uri_changed:1;
    unsigned                          uri_changes:4;

    unsigned                          request_body_in_single_buf:1;
    unsigned                          request_body_in_file_only:1;
    unsigned                          request_body_in_persistent_file:1;
    unsigned                          request_body_in_clean_file:1;
    unsigned                          request_body_file_group_access:1;
    unsigned                          request_body_file_log_level:3;

    unsigned                          subrequest_in_memory:1;
    unsigned                          waited:1;

#if (NGX_HTTP_CACHE)
    unsigned                          cached:1;
#endif

#if (NGX_HTTP_GZIP)
    unsigned                          gzip_tested:1;
    unsigned                          gzip_ok:1;
    unsigned                          gzip_vary:1;
#endif

    unsigned                          proxy:1;
    unsigned                          bypass_cache:1;
    unsigned                          no_cache:1;

    /*
     * instead of using the request context data in
     * ngx_http_limit_conn_module and ngx_http_limit_req_module
     * we use the single bits in the request structure
     */
    unsigned                          limit_conn_set:1;
    unsigned                          limit_req_set:1;

#if 0
    unsigned                          cacheable:1;
#endif

    unsigned                          pipeline:1;
    unsigned                          chunked:1;
    unsigned                          header_only:1;
    unsigned                          keepalive:1;
    unsigned                          lingering_close:1;
    unsigned                          discard_body:1;
    unsigned                          internal:1;
    unsigned                          error_page:1;
    unsigned                          ignore_content_encoding:1;
    unsigned                          filter_finalize:1;
    unsigned                          post_action:1;
    unsigned                          request_complete:1;
    unsigned                          request_output:1;
    unsigned                          header_sent:1;
    unsigned                          expect_tested:1;
    unsigned                          root_tested:1;
    unsigned                          done:1;
    unsigned                          logged:1;

    unsigned                          buffered:4;

    unsigned                          main_filter_need_in_memory:1;
    unsigned                          filter_need_in_memory:1;
    unsigned                          filter_need_temporary:1;
    unsigned                          allow_ranges:1;

#if (NGX_STAT_STUB)
    unsigned                          stat_reading:1;
    unsigned                          stat_writing:1;
#endif

    /* used to parse HTTP headers */

    ngx_uint_t                        state;

    ngx_uint_t                        header_hash;
    ngx_uint_t                        lowcase_index;
    u_char                            lowcase_header[NGX_HTTP_LC_HEADER_LEN];

    u_char                           *header_name_start;
    u_char                           *header_name_end;
    u_char                           *header_start;
    u_char                           *header_end;

    /*
     * a memory that can be reused after parsing a request line
     * via ngx_http_ephemeral_t
     */

    u_char                           *uri_start;
    u_char                           *uri_end;
    u_char                           *uri_ext;
    u_char                           *args_start;
    u_char                           *request_start;
    u_char                           *request_end;
    u_char                           *method_end;
    u_char                           *schema_start;
    u_char                           *schema_end;
    u_char                           *host_start;
    u_char                           *host_end;
    u_char                           *port_start;
    u_char                           *port_end;

    unsigned                          http_minor:16;
    unsigned                          http_major:16;
};
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HTTP

   这里需要复习下Http协议了。

  http请求是典型的请求-响应类型的的网络协议,需要一行一行的分析请求行与请求头,以及输出响应行与响应头。

  Request 消息分为3部分,第一部分叫请求行requset line, 第二部分叫http header, 第三部分是body. header和body之间有个空行。

  Response消息的结构, 和Request消息的结构基本一样。 同样也分为三部分,第一部分叫response line, 第二部分叫response header,第三部分是body. header和body之间也有个空行。

  分别为Request和Response消息结构图:

处理流程

  worker进程负责业务处理。在worker进程中有一个函数ngx_worker_process_cycle(),执行无限循环,不断处理收到的来自客户端的请求,并进行处理,直到整个nginx服务被停止。

  一个HTTP Request的处理过程: 

  1. 初始化HTTP Request(读取来自客户端的数据,生成HTTP Requst对象,该对象含有该请求所有的信息)。
  2. 处理请求头。
  3. 处理请求体。
  4. 如果有的话,调用与此请求(URL或者Location)关联的handler
  5. 依次调用各phase handler进行处理。

  一个phase handler的执行过程:

  1. 获取location配置。
  2. 产生适当的响应。
  3. 发送response header.
  4. 发送response body.

  这里直接上taobao团队的给出的Nginx流程图了。

  从这个图中可以清晰的看到解析http消息每个部分的不同模块。

keepalive长连接

  长连接的定义:所谓长连接,指在一个连接上可以连续发送多个数据包,在连接保持期间,如果没有数据包发送,需要双方发链路检测包。

  在这里,http请求是基于TCP协议之上的,所以建立需要三次握手,关闭需要四次握手。而http请求是请求应答式的,如果我们能知道每个请求头与响应体的长度,那么我们是可以在一个连接上面执行多个请求的,这就需要在请求头中指定content-length来表明body的大小。在http1.0与http1.1中稍有不同,具体情况如下:

    对于http1.0协议来说,如果响应头中有content-length头,则以content-length的长度就可以知道body的长度了,客户端在接收body时,就可以依照这个长度来接收数据,接收完后,就表示这个请求完成了。而如果没有content-length头,则客户端会一直接收数据,直到服务端主动断开连接,才表示body接收完了。

    而对于http1.1协议来说,如果响应头中的Transfer-encoding为chunked传输,则表示body是流式输出,body会被分成多个块,每块的开始会标识出当前块的长度,此时,body不需要通过长度来指定。如果是非chunked传输,而且有content-length,则按照content-length来接收数据。否则,如果是非chunked,并且没有content-length,则客户端接收数据,直到服务端主动断开连接。
Http1.0与Http1.1 length

 

  当客户端的一次访问,需要多次访问同一个server时,打开keepalive的优势非常大,比如图片服务器,通常一个网页会包含很多个图片。打开keepalive也会大量减少time-wait的数量。

pipeline管道线

   管道技术是基于长连接的,目的是利用一个连接做多次请求。

  keepalive采用的是串行方式,而pipeline也不是并行的,但是它可以减少两个请求间的等待的事件。nginx在读取数据时,会将读取的数据放到一个buffer里面,所以,如果nginx在处理完前一个请求后,如果发现buffer里面还有数据,就认为剩下的数据是下一个请求的开始,然后就接下来处理下一个请求,否则就设置keepalive。

lingering_close延迟关闭

   当Nginx要关闭连接时,并非立即关闭连接,而是再等待一段时间后才真正关掉连接。目的在于读取客户端发来的剩下的数据。

  如果服务器直接关闭,恰巧客户端刚发送消息,那么就不会有ACK,导致出现没有任何错误信息的提示。

  Nginx通过设置一个读取客户数据的超时事件lingering_timeout来防止以上问题的发生。

 

  参考:http://tengine.taobao.org/book/#id2

 

posted @ 2013-06-19 07:51  cococo点点  阅读(20155)  评论(3编辑  收藏  举报