企业高性能web服务器Nginx的详细部署（理论篇）

1.2.4.1 磁盘 I/O

磁盘I/O是进程向内核发起系统调用，请求磁盘上的某个资源比如是html 文件或者图片，然后内核通过相 应的驱动程序将目标文件加载到内核的内存空间，加载完成之后把数据从内核内存再复制给进程内存，如果是比较大的数据也需要等待时间

1.2.4.2 网络 I/O

网络通信就是网络协议栈到用户空间进程的IO就是网络IO

网络I/O 处理过程

.  获取请求数据，客户端与服务器建立连接发出请求，服务器接受请求（1-3）

.  构建响应，当服务器接收完请求，并在用户空间处理客户端的请求，直到构建响应完成（4） .  返回数据，服务器将已构建好的响应再通过内核空间的网络 I/O 发还给客户端（5-7）

不论磁盘和网络I/O

每次I/O，都要经由两个阶段：

  第一步：将数据从文件先加载至内核内存空间（缓冲区），等待数据准备完成，时间较长

  第二步：将数据从内核缓冲区复制到用户空间的进程的内存中，时间较短

1.3 I/O 模型

1.3.1 I/O 模型相关概念

同步/异步：关注的是消息通信机制，即调用者在等待一件事情的处理结果时，被调用者是否提供完成状 态的通知。

.  同步：synchronous，被调用者并不提供事件的处理结果相关的通知消息，需要调用者主动询问事 情是否处理完成

.  异步：asynchronous，被调用者通过状态、通知或回调机制主动通知调用者被调用者的运行状态

阻塞/非阻塞：关注调用者在等待结果返回之前所处的状态

.  阻塞： blocking，指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间，调用结果返回之前，调用者被挂 起，干不了别的事情。

.  非阻塞： nonblocking，指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，而无需等到IO操作彻底完 成，在最终的调用结果返回之前，调用者不会被挂起，可以去做别的事情。

1.3.2 网络 I/O 模型

阻塞型、非阻塞型、复用型、信号驱动型、异步

1.3.2.1 阻塞型 I/O 模型（blocking IO）

   阻塞IO模型是最简单的I/O模型，用户线程在内核进行IO操作时被阻塞

.  用户线程通过系统调用read发起I/O读操作，由用户空间转到内核空间。内核等到数据包到达后，然 后将接收的数据拷贝到用户空间，完成read操作

.  用户需要等待read将数据读取到buffer后，才继续处理接收的数据。整个I/O请求的过程中，用户线 程是被阻塞的，这导致用户在发起IO请求时，不能做任何事情，对CPU的资源利用率不够

优点：程序简单，在阻塞等待数据期间进程/线程挂起，基本不会占用 CPU 资源

缺点：每个连接需要独立的进程/线程单独处理，当并发请求量大时为了维护程序，内存、线程切换开销 较apache 的preforck使用的是这种模式。

同步阻塞：程序向内核发送I/O请求后一直等待内核响应，如果内核处理请求的IO操作不能立即返回,则进 程将一直等待并不再接受新的请求，并由进程轮询查看I/O是否完成，完成后进程将I/O结果返回给

Client，在IO没有返回期间进程不能接受其他客户的请求，而且是有进程自己去查看I/O是否完成，这种 方式简单，但是比较慢，用的比较少。

1.3.2.2 非阻塞型 I/O 模型 (nonblocking IO)

用户线程发起IO请求时立即返回。但并未读取到任何数据，用户线程需要不断地发起IO请求，直到数据 到达后，才真正读取到数据，继续执行。即“轮询”机制存在两个问题：如果有大量文件描述符都要等，

那么就得一个一个的read。这会带来大量的Context Switch（read是系统调用，每调用一次就得在用户 态和核心态切换一次）。轮询的时间不好把握。这里是要猜多久之后数据才能到。等待时间设的太长，  程序响应延迟就过大;设的太短，就会造成过于频繁的重试，干耗CPU而已，是比较浪费CPU的方式， 一 般很少直接使用这种模型，而是在其他IO模型中使用非阻塞IO这一特性。

非阻塞：程序向内核发送请I/O求后一直等待内核响应，如果内核处理请求的IO操作不能立即返回IO结 果，进程将不再等待，而且继续处理其他请求，但是仍然需要进程隔一段时间就要查看内核I/O是否完 成。

查看上图可知，在设置连接为非阻塞时，当应用进程系统调用 recvfrom 没有数据返回时，内核会立即返 回一个 EWOULDBLOCK 错误，而不会一直阻塞到数据准备好。如上图在第四次调用时有一个数据报准    备好了，所以这时数据会被复制到 应用进程缓冲区 ，于是 recvfrom 成功返回数据

当一个应用进程这样循环调用 recvfrom 时，称之为轮询 polling。这么做往往会耗费大量CPU时间，实 际使用很少

1.3.2.3 多路复用 I/O 型(I/O multiplexing)

上面的模型中,每一个文件描述符对应的IO是由一个线程监控和处理

多路复用IO指一个线程可以同时（实际是交替实现，即并发完成）监控和处理多个文件描述符对应各自 的IO，即复用同一个线程

一个线程之所以能实现同时处理多个IO,是因为这个线程调用了内核中的SELECT,POLL或EPOLL等系统调 用，从而实现多路

I/O multiplexing 主要包括:select ， poll ，epoll三种系统调用， select/poll/epoll的好处就在于单个 process就可以同时处理多个网络连接的IO。

它的基本原理就是select/poll/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数 据到达了，就通知用户进程。

当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时， kernel会“监视”所有select负责的socket， 当任何一个socket中的数据准备好了， select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从  kernel拷贝到用户进程。

Apache prefork是此模式的select ，worker是poll模式。

IO多路复用（IO Multiplexing) ：是一种机制，程序注册一组socket文件描述符给操作系统，表示“我要    监视这些fd是否有IO事件发生，有了就告诉程序处理”IO多路复用一般和NIO一起使用的。 NIO和IO多路    复用是相对独立的。 NIO仅仅是指IO API总是能立刻返回，不会被Blocking;而IO多路复用仅仅是操作系统 提供的一种便利的通知机制。操作系统并不会强制这俩必须得一起用，可以只用IO多路复用 + BIO，这时 还是当前线程被卡住。 IO多路复用和NIO是要配合一起使用才有

实际意义

IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，就通知该进程多个连接共用一  个等待机制，本模型会阻塞进程，但是进程是阻塞在select或者poll这两个系统调用上，而不是阻塞在真 正的IO操作上用户首先将需要进行IO操作添加到select中，同时等待select系统调用返回。当数据到达时， IO被激活， select函数返回。用户线程正式发起read请求，读取数据并继续执行从流程上来看，使用 select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别，甚至还多了添加监视IO，以及调用select函数的  额外操作，效率更差。并且阻塞了两次，但是第一次阻塞在select上时， select可以监控多个IO上是否已  有IO操作准备就绪，即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而不像阻塞IO那种，一次只   能监控一个IO虽然上述方式允许单线程内处理多个IO请求，但是每个IO请求的过程还是阻塞的（在select 函数上阻塞），平均时间甚至比同步阻塞IO模型还要长。如果用户线程只是注册自己需要的IO请求，然   后去做自己的事情，等到数据到来时再进行处理，则可以提高CPU的利用率IO多路复用是最常使用的IO    模型，但是其异步程度还不够“彻底”，因它使用了会阻塞线程的select系统调用。因此IO多路复用只能称  为异步阻塞IO模型，而非真正的异步IO。

优缺点

.  优点：可以基于一个阻塞对象，同时在多个描述符上等待就绪，而不是使用多个线程(每个文件描述 符一个线程)，这样可以大大节省系统资源。

信号驱动I/O的意思就是进程现在不用傻等着，也不用去轮询。而是让内核在数据就绪时，发送信号通知 进程。

调用的步骤是，通过系统调用 sigaction ，并注册一个信号处理的回调函数，该调用会立即返回，然后主 程序可以继续向下执行，当有I/O操作准备就绪,即内核数据就绪时，内核会为该进程产生一个 SIGIO信号，并回调注册的信号回调函数，这样就可以在信号回调函数中系统调用 recvfrom 获取数据,将用户进 程所需要的数据从内核空间拷贝到用户空间

此模型的优势在于等待数据报到达期间进程不被阻塞。用户主程序可以继续执行，只要等待来自信号处 理函数的通知。

在信号驱动式 I/O 模型中，应用程序使用套接口进行信号驱动 I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续 运行并不阻塞

在信号驱动式 I/O 模型中，应用程序使用套接口进行信号驱动 I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续 运行并不阻塞

当数据准备好时，进程会收到一个 SIGIO 信号，可以在信号处理函数中调用 I/O 操作函数处理数据。

优 点：线程并没有在等待数据时被阻塞，内核直接返回调用接收信号，不影响进程继续处理其他请求因此 可以提高资源的利用率

1.3.4 I/O 的具体实现方式

1.3.4.1 I/O常见实现

Nginx支持在多种不同的操作系统实现不同的事件驱动模型，但是其在不同的操作系统甚至是不同的系统 版本上面的实现方式不尽相同，主要有以下实现方式：

1、select：

select库是在linux和windows平台都基本支持的 事件驱动模型库，并且在接口的定义也基本相同，只是 部分参数的含义略有差异，最大并发限制1024，是最早期的事件驱动模型。

2、 poll：

在Linux 的基本驱动模型， windows不支持此驱动模型，是select的升级版，取消了最大的并发限制，在 编译nginx的时候可以使用--with-poll_module和--without-poll_module这两个指定是否编译select库。

3、epoll：

epoll是库是Nginx服务器支持的最高性能的事件驱动库之一，是公认的非常优秀的事件驱动模型，它和    select和poll有很大的区别， epoll是poll的升级版，但是与poll有很大的区别.epoll的处理方式是创建一个 待处理的事件列表，然后把这个列表发给内核，返回的时候在去轮询检查这个表，以判断事件是否发

生，epoll支持一个进程打开的最大事件描述符的上限是系统可以打开的文件的最大数，同时epoll库的 I/O效率不随描述符数目增加而线性下降，因为它只会对内核上报的“活跃”的描述符进行操作。

4、 kqueue：

用于支持BSD系列平台的高校事件驱动模型，主要用在FreeBSD 4.1及以上版本、 OpenBSD 2.0级以上版 本NetBSD级以上版本及Mac OS X 平台上，该模型也是poll库的变种，因此和epoll没有本质上的区别，

都是通过避免轮询操作提供效率。

5、 Iocp：

Windows系统上的实现方式，对应第5种（异步I/O）模型。

Select：

POSIX所规定，目前几乎在所有的平台上支持，其良好跨平台支持也是它的一个优点，本质上是通过设置 或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理

缺点

单个进程能够监视的文件描述符的数量存在最大限制，在Linux上一般为1024，可以通过修改宏定

FD_SETSIZE，再重新编译内核实现，但是这样也会造成效率的降低单个进程可监视的fd数量被限制，默  认是1024，修改此值需要重新编译内核对socket是线性扫描，即采用轮询的方法，效率较低select 采取   了内存拷贝方法来实现内核将 FD 消息通知给用户空间，这样一个用来存放大量fd的数据结构，这样会使 得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大

poll：

本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态其没有 最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间   之间，而不管这样的复制是不是有意义poll特点是“水平触发”，如果报告了fd后，没有被处理，那么下次  poll时会再次报告该fd select是边缘触发即只通知一次

epoll：

在Linux 2.6内核中提出的select和poll的增强版本支持水平触发LT和边缘触发ET，最大的特点在于边缘触 发，它只告诉进程哪些fd刚刚变为就需态，并且只会通知一次使用“事件”的就绪通知方式，通过epoll_ctl  注册fd ，一旦该fd就绪，内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd ，epoll_wait便可以收到通知

2.1.1 Nginx 介绍

Nginx：engine X ，2002年开发，分为社区版和商业版(nginx plus ) 2019年3月11日 F5 Networks 6.7亿美元的价格收购

Nginx是免费的、开源的、高性能的HTTP和反向代理服务器、邮件代理服务器、以及TCP/UDP代理服务 器

解决C10K问题（10K Connections） Nginx官网：http://nginx.org

nginx的其它的二次发行版：

   Tengine：由淘宝网发起的Web服务器项目。它在Nginx的基础上，针对大访问量网站的需求，添加 了很多高级功能和特性。 Tengine的性能和稳定性已经在大型的网站如淘宝网，天猫商城等得到了    很好的检验。它的最终目标是打造一个高效、稳定、安全、易用的Web平台。从2011年12月开始， Tengine成为一个开源项目官网: The Tengine Web Server

.  OpenResty：基于 Nginx 与 Lua 语言的高性能 Web 平台， 章亦春团队开发，官网： http://openresty.org/cn/http://openresty.org/cn/

2.1.2 Nginx 功能介绍

  静态的web资源服务器html，图片，js ，css ，txt等静态资源 .    http/https协议的反向代理

  结合FastCGI/uWSGI/SCGI等协议反向代理动态资源请求 .    tcp/udp协议的请求转发（反向代理）

   imap4/pop3协议的反向代理

2.1.3 基础特性

  模块化设计，较好的扩展性

   高可靠性

   支持热部署：不停机更新配置文件，升级版本，更换日志文件

低内存消耗： 10000个keep-alive连接模式下的非活动连接，仅需2.5M内存 .  event-driven,aio,mmap ，sendfile

2.1.4 Web 服务相关的功能

虚拟主机（ server）

支持 keep-alive 和管道连接(利用一个连接做多次请求)

访问日志（支持基于日志缓冲提高其性能）

路径别名

基于IP及用户的访问控制

支持速率限制及并发数限制

重新配置和在线升级而无须中断客户的工作进程

2.1.5核心特点

1. 高并发、低资源
   采用 epoll/kqueue 事件驱动模型，单机可支撑数十万并发连接，内存消耗远低于传统 Apache（进程/线程模型）。

2. 反向代理与负载均衡

   • 反向代理：隐藏后端服务器，统一入口，支持缓存静态内容（如图片、CSS/JS）。

   • 负载均衡：支持轮询、IP哈希、权重、最少连接等算法，可健康检查后端节点。

3. 静态资源服务
   高效处理静态文件（通过 sendfile 零拷贝技术），常与 CDN 或文件存储（如 S3）配合。

4. 模块化设计
   核心功能通过模块扩展，如：

   • ngx_http_rewrite_module（URL重写）

   • ngx_http_ssl_module（HTTPS/TLS）

   • ngx_http_upstream_module（负载均衡）

   • 第三方模块如 ngx_http_lua_module（嵌入Lua脚本实现动态逻辑）。

5. 热部署与热升级
   支持平滑重启（nginx -s reload）和版本升级，不中断现有连接。

2.1.6常见使用场景

• Web服务器：直接托管静态网站或作为动态应用（如PHP-FPM、Node.js）的前端。

• 反向代理：统一入口，分发请求到多个后端（如微服务、Docker容器）。

• API网关：通过 location 规则路由不同服务，结合限流（limit_req）、鉴权（JWT）等。

• SSL终端：集中处理HTTPS加密，减轻后端压力。

2.2 Nginx 架构和进程

2.2.2 Nginx 进程结构

web请求处理机制

   多进程方式：服务器每接收到一个客户端请求就有服务器的主进程生成一个子进程响应客户端，直 到用户关闭连接，这样的优势是处理速度快，子进程之间相互独立，但是如果访问过大会导致服务 器资源耗尽而无法提供请求

   多线程方式：与多进程方式类似，但是每收到一个客户端请求会有服务进程派生出一个线程和此客 户端进行交互， 一个线程的开销远远小于一个进程，因此多线程方式在很大程度减轻了web服务器 对系统资源的要求，但是多线程也有自己的缺点，即当多个线程位于同一个进程内工作的时候，可 以相互访问同样的内存地址空间，所以他们相互影响，  一旦主进程挂掉则所有子线程都不能工作了， IIS服务器使用了多线程的方式，需要间隔一段时间就重启一次才能稳定。 Nginx是多进程组织模型，而且是一个由Master主进程和Worker工作进程组成。

主进程(master process)的功能：

  对外接口：接收外部的操作（信号）

  对内转发：根据外部的操作的不同，通过信号管理 Worker

 监控：监控 worker 进程的运行状态， worker 进程异常终止后，自动重启 worker 进程 

 建立、绑定和关闭socket连接

  按照配置生成、管理和结束工作进程

  接受外界指令，比如重启、升级及退出服务器等指令

  不中断服务，实现平滑升级，重启服务并应用新的配置 

   开启日志文件，获取文件描述符

  不中断服务，实现平滑升级，升级失败进行回滚处理 .  编译和处理perl脚本

工作进程（worker process）的功能：

  所有 Worker 进程都是平等的

  实际处理：网络请求，由 Worker 进程处理

   Worker进程数量： 一般设置为核心数，充分利用CPU资源，同时避免进程数量过多，导致进程竞争 CPU资源，

  增加上下文切换的损耗 

  接受处理客户的请求

  将请求依次送入各个功能模块进行处理 

   I/O调用，获取响应数据

  与后端服务器通信，接收后端服务器的处理结果 

   缓存数据，访问缓存索引，查询和调用缓存数据 

  发送请求结果，响应客户的请求

2.2.1 Nginx 进程间通信

工作进程是由主进程生成的，主进程使用fork()函数，在Nginx服务器启动过程中主进程根据配置文件决 定启动工作进程的数量，然后建立一张全局的工作表用于存放当前未退出的所有的工作进程，主进程生 成工作进程后会将新生成的工作进程加入到工作进程表中，并建立一个单向的管道并将其传递给工作进 程，该管道与普通的管道不同，它是由主进程指向工作进程的单向通道，包含了主进程向工作进程发出 的指令、工作进程ID、工作进程在工作进程表中的索引和必要的文件描述符等信息。

主进程与外界通过信号机制进行通信，当接收到需要处理的信号时，它通过管道向相关的工作进程发送 正确的指令，每个工作进程都有能力捕获管道中的可读事件，当管道中有可读事件的时候，工作进程就 会从管道中读取并解析指令，然后采取相应的执行动作，这样就完成了主进程与工作进程的交互。