nginx如何解决“惊群”问题

在说nginx前，先来看看什么是“惊群”？简单说来，多线程/多进程（linux下线程进程也没多大区别）等待同一个socket事件，当这个事件发生时，这些线程/进程被同时唤醒，就是惊群。可以想见，效率很低下，许多进程被内核重新调度唤醒，同时去响应这一个事件，当然只有一个进程能处理事件成功，其他的进程在处理该事件失败后重新休眠（也有其他选择）。这种性能浪费现象就是惊群。

惊群通常发生在server 上，当父进程绑定一个端口监听socket，然后fork出多个子进程，子进程们开始循环处理（比如accept）这个socket。每当用户发起一个TCP连接时，多个子进程同时被唤醒，然后其中一个子进程accept新连接成功，余者皆失败，重新休眠。

那么，我们不能只用一个进程去accept新连接么？然后通过消息队列等同步方式使其他子进程处理这些新建的连接，这样惊群不就避免了？没错，惊群是避免了，但是效率低下，因为这个进程只能用来accept连接。对多核机器来说，仅有一个进程去accept，这也是程序员在自己创造accept瓶颈。所以，我仍然坚持需要多进程处理accept事件。

其实，在linux2.6内核上，accept系统调用已经不存在惊群了（至少我在2.6.18内核版本上已经不存在）。大家可以写个简单的程序试下，在父进程中bind,listen，然后fork出子进程，所有的子进程都accept这个监听句柄。这样，当新连接过来时，大家会发现，仅有一个子进程返回新建的连接，其他子进程继续休眠在accept调用上，没有被唤醒。

但是很不幸，通常我们的程序没那么简单，不会愿意阻塞在accept调用上，我们还有许多其他网络读写事件要处理，linux下我们爱用epoll解决非阻塞socket。所以，即使accept调用没有惊群了，我们也还得处理惊群这事，因为epoll有这问题。上面说的测试程序，如果我们在子进程内不是阻塞调用accept，而是用epoll_wait，就会发现，新连接过来时，多个子进程都会在epoll_wait后被唤醒！

nginx就是这样，master进程监听端口号（例如80），所有的nginx worker进程开始用epoll_wait来处理新事件（linux下），如果不加任何保护，一个新连接来临时，会有多个worker进程在epoll_wait后被唤醒，然后发现自己accept失败。现在，我们可以看看nginx是怎么处理这个惊群问题了。

nginx的每个worker进程在函数ngx_process_events_and_timers中处理事件，(void) ngx_process_events(cycle, timer, flags);封装了不同的事件处理机制，在linux上默认就封装了epoll_wait调用。我们来看看ngx_process_events_and_timers为解决惊群做了什么：

void
ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle)
{
。。。 。。。
    //ngx_use_accept_mutex表示是否需要通过对accept加锁来解决惊群问题。当nginx worker进程数>1时且配置文件中打开accept_mutex时，这个标志置为1
    if (ngx_use_accept_mutex) {
            //ngx_accept_disabled表示此时满负荷，没必要再处理新连接了，我们在nginx.conf曾经配置了每一个nginx worker进程能够处理的最大连接数，当达到最大数的7/8时，ngx_accept_disabled为正，说明本nginx worker进程非常繁忙，将不再去处理新连接，这也是个简单的负载均衡
        if (ngx_accept_disabled > 0) {
            ngx_accept_disabled--;

        } else {
                //获得accept锁，多个worker仅有一个可以得到这把锁。获得锁不是阻塞过程，都是立刻返回，获取成功的话ngx_accept_mutex_held被置为1。拿到锁，意味着监听句柄被放到本进程的epoll中了，如果没有拿到锁，则监听句柄会被从epoll中取出。
            if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {
                return;
            }

                        //拿到锁的话，置flag为NGX_POST_EVENTS，这意味着ngx_process_events函数中，任何事件都将延后处理，会把accept事件都放到ngx_posted_accept_events链表中，epollin|epollout事件都放到ngx_posted_events链表中
            if (ngx_accept_mutex_held) {
                flags |= NGX_POST_EVENTS;

            } else {
                    //拿不到锁，也就不会处理监听的句柄，这个timer实际是传给epoll_wait的超时时间，修改为最大ngx_accept_mutex_delay意味着epoll_wait更短的超时返回，以免新连接长时间没有得到处理
                if (timer == NGX_TIMER_INFINITE
                    || timer > ngx_accept_mutex_delay)
                {
                    timer = ngx_accept_mutex_delay;
                }
            }
        }
    }
。。。 。。。
        //linux下，调用ngx_epoll_process_events函数开始处理
    (void) ngx_process_events(cycle, timer, flags);
。。。 。。。
        //如果ngx_posted_accept_events链表有数据，就开始accept建立新连接
    if (ngx_posted_accept_events) {
        ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_accept_events);
    }

        //释放锁后再处理下面的EPOLLIN EPOLLOUT请求
    if (ngx_accept_mutex_held) {
        ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
    }

    if (delta) {
        ngx_event_expire_timers();
    }

    ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0,
                   "posted events %p", ngx_posted_events);
        //然后再处理正常的数据读写请求。因为这些请求耗时久，所以在ngx_process_events里NGX_POST_EVENTS标志将事件都放入ngx_posted_events链表中，延迟到锁释放了再处理。
    if (ngx_posted_events) {
        if (ngx_threaded) {
            ngx_wakeup_worker_thread(cycle);

        } else {
            ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_events);
        }
    }
｝

从上面的注释可以看到，无论有多少个nginx worker进程，同一时刻只能有一个worker进程在自己的epoll中加入监听的句柄。这个处理accept的nginx worker进程置flag为NGX_POST_EVENTS，这样它在接下来的ngx_process_events函数（在linux中就是ngx_epoll_process_events函数）中不会立刻处理事件，延后，先处理完所有的accept事件后，释放锁，然后再处理正常的读写socket事件。我们来看下ngx_epoll_process_events是怎么做的：

static ngx_int_t
ngx_epoll_process_events(ngx_cycle_t *cycle, ngx_msec_t timer, ngx_uint_t flags)
{
。。。 。。。
    events = epoll_wait(ep, event_list, (int) nevents, timer);
。。。 。。。
    ngx_mutex_lock(ngx_posted_events_mutex);

    for (i = 0; i < events; i++) {
        c = event_list[i].data.ptr;

。。。 。。。

        rev = c->read;

        if ((revents & EPOLLIN) && rev->active) {
。。。 。。。
//有NGX_POST_EVENTS标志的话，就把accept事件放到ngx_posted_accept_events队列中，把正常的事件放到ngx_posted_events队列中延迟处理
            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;

        if ((revents & EPOLLOUT) && wev->active) {
。。。 。。。
//同理，有NGX_POST_EVENTS标志的话，写事件延迟处理，放到ngx_posted_events队列中
            if (flags & NGX_POST_EVENTS) {
                ngx_locked_post_event(wev, &ngx_posted_events);

            } else {
                wev->handler(wev);
            }
        }
    }

    ngx_mutex_unlock(ngx_posted_events_mutex);

    return NGX_OK;
}

看看ngx_use_accept_mutex在何种情况下会被打开：

if (ccf->master && ccf->worker_processes > 1 && ecf->accept_mutex) {
    ngx_use_accept_mutex = 1;
    ngx_accept_mutex_held = 0;
    ngx_accept_mutex_delay = ecf->accept_mutex_delay;

} else {
    ngx_use_accept_mutex = 0;
}

当nginx worker数量大于1时，也就是多个进程可能accept同一个监听的句柄，这时如果配置文件中accept_mutex开关打开了，就将ngx_use_accept_mutex置为1。

再看看有些负载均衡作用的ngx_accept_disabled是怎么维护的，在ngx_event_accept函数中：

ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n / 8
                      - ngx_cycle->free_connection_n;

表明，当已使用的连接数占到在nginx.conf里配置的worker_connections总数的7/8以上时，ngx_accept_disabled为正，这时本worker将ngx_accept_disabled减1，而且本次不再处理新连接。

最后，我们看下ngx_trylock_accept_mutex函数是怎么玩的：

ngx_int_t
ngx_trylock_accept_mutex(ngx_cycle_t *cycle)
{
//ngx_shmtx_trylock是非阻塞取锁的，返回1表示成功，0表示没取到锁
    if (ngx_shmtx_trylock(&ngx_accept_mutex)) {

//ngx_enable_accept_events会把监听的句柄都塞入到本worker进程的epoll中
        if (ngx_enable_accept_events(cycle) == NGX_ERROR) {
            ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
            return NGX_ERROR;
        }
//ngx_accept_mutex_held置为1，表示拿到锁了，返回
        ngx_accept_events = 0;
        ngx_accept_mutex_held = 1;

        return NGX_OK;
    }

//处理没有拿到锁的逻辑，ngx_disable_accept_events会把监听句柄从epoll中取出
    if (ngx_accept_mutex_held) {
        if (ngx_disable_accept_events(cycle) == NGX_ERROR) {
            return NGX_ERROR;
        }

        ngx_accept_mutex_held = 0;
    }

    return NGX_OK;
}

OK，关于锁的细节是如何实现的，这篇限于篇幅就不说了，下篇帖子再来讲。现在大家清楚nginx是怎么处理惊群了吧？简单了说，就是同一时刻只允许一个nginx worker在自己的epoll中处理监听句柄。它的负载均衡也很简单，当达到最大connection的7/8时，本worker不会去试图拿accept锁，也不会去处理新连接，这样其他nginx worker进程就更有机会去处理监听句柄，建立新连接了。而且，由于timeout的设定，使得没有拿到锁的worker进程，去拿锁的频繁更高。