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nginx架构分析

Nginx模块化
#Nginx基于模块化设计，每个模块是一个功能实现，分布式开发，团队协作
#核心模块、标准HTTP模块、可选HTTP模块、邮件模块、第三方模块
#编译后的源码目录objs/ngx_modules.c
#https://coding.net/u/aminglinux/p/nginx/git/blob/master/4z/module.md
Nginx的web请求机制
#并行处理：多进程、多线程、异步
#https://coding.net/u/aminglinux/p/nginx/git/blob/master/4z/IO.md
Nginx事件驱动模型
#https://coding.net/u/aminglinux/p/nginx/git/blob/master/4z/event.md
设计架构概览
#Nginx基于模块化设计、基于事件驱动模型处理请求、主进程和工作进程
#https://coding.net/u/aminglinux/p/nginx/git/blob/master/4z/jg.md

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Nginx模块化结构

Nginx涉及到的模块分为核心模块、标准HTTP模块、可选HTTP模块、邮件服务模块以及第三方模块等五大类。
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核心模块

核心模块是指Nginx服务器正常运行时必不可少的模块，它们提供了Nginx最基本最核心的服务，如进程管理、权限控制、错误日志记录等。
主要包含对两类功能的支持，一类是主体功能，包括进程管理、权限控制、错误日志记录、配置解析等，
另一类是用于响应请求事件必需的功能，包括事件驱动机制、正则表达式解析等。

ngx_core_module
ngx_errlog_module
ngx_conf_module
ngx_regex_module
ngx_events_module
ngx_event_core_module
ngx_epoll_module

标准HTTP模块

标准HTTP模块是编译Nginx后包含的模块，其支持Nginx服务器的标准HTTP功能。

模块 功能
ngx_http_core 配置端口，URI分析，服务器响应错误处理，别名控制以及其他HTTP核心事务
ngx_http_access_module 基于IP地址的访问控制（允许/拒绝）
ngx_http_auth_basic_module 基于HTTP的身份认证
ngx_http_autoindex_module 处理以“/”结尾的请求并自动生成目录列表
ngx_http_browser_module 解析HTTP请求头中的“User-Agent”域的值
ngx_http_charset_module 指定网页编码
ngx_http_empty_gif_module 从内存创建一个1 x 1的透明gif图片，可以快速调用
ngx_http_fastcgi_module 对FastCGI的支持
ngx_http_geo_module 将客户端的IP转化为键值对变量，该模块主要用来针对客户的的IP来定义变量
ngx_http_gzip_module 压缩请求响应，可以减少数据传输
ngx_http_headers_filter_module 设置HTTP响应头
ngx_http_index_module 处理以“/”结尾的请求，如果没有找到该目录下的index页，就将请求转给ngx_http_autoindex_module模块处理
ngx_http_limit_req_module 限制来自客户端的请求的响应和处理速率
ngx_http_limit_conn_module 限制来自客户端的连接的响应和处理速率
ngx_http_log_module 自定义access日志
ngx_http_map_module 创建任意键值对变量
ngx_http_memcached_module 对Memcached的支持
ngx_http_proxy_module 支持代理事务
ngx_http_referer_module 对HTTP头中的"referer"进行过滤处理，比如，实现防盗链功能
ngx_http_rewrite_module 实现nginx的rewrite功能
ngx_http_scgi_module 对SCGI的支持
ngx_http_upstream_module 定义一组服务器，可以接收来自代理、Fastcgi、Memcached的中重定向，主要用于负载均衡
可选HTTP模块

可选HTTP模块主要用于扩展标准的HTTP功能，使其能够处理一些特殊的HTTP请求。在编译Nginx时，如果不指定这些模块，默认是不会安装的。

模块 功能
ngx_http_addition_module 在响应请求的页面开始或者结尾添加文本信息
ngx_http_degradation_module 在低内存的情形下允许Nginx服务器返回444错误或204错误
ngx_http_perl_module 在Nginx的配置文件中可以使用Perl脚本
ngx_http_flv_module 支持将Flash多媒体信息按照流文件传输，可以根据客户端指定的开始位置返回Flash
ngx_http_geoip_module 支持解析基于GeoIP数据库的客户端请求
ngx_google_perflools_module 支持Google Performance Tools的一套用于C++Profile的工具集
ngx_http_image_filter_module 支持将H.264/AAC编码的多媒体信息（后缀名通常为mp4、m4v或m4a）按照流文件传输，常与ngx_http_flv_module模块一起使用
ngx_http_random_index_module Nginx接收到以“/”结尾的请求时，在对应的目录下随机选择一个文件作为index文件
ngx_http_secure_link_module 支持对请求链接的有效性检查
ngx_http_ssl_module 对HTTPS/SSL支持
ngx_http_stub_status_module 支持返回Nginx服务器的统计信息，一般包括处理连接的数量、连接成功的数量、处理的请求数、读取和返回的Header信息数等信息
ngx_http_sub_module 使用指定的字符串替换响应信息中的信息
ngx_http_dav_module 支持HTTP协议和WebDAV协议中PUT、DELETE、MKCOL、COPY和MOVE方法
ngx_http_xslt_module 将XML响应信息使用XSLT（拓展样式表转换语言）进行转换
邮件服务模块

主要用于支持Ningx的邮件服务。

第三方模块

并非有Nginx官方提供，而是由第三方机构或者个人开发的模块，用于实现某种特殊功能。
echo-nginx-module 支持在Nginx配置文件中使用echo、sleep、time以及exec等类shell命令
lua-nginx-module 使Nginx支持lua脚本语言

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同步机制

同步、异步发生在当客户端发起请求后，服务端处理客户端的请求时。
同步机制，是指客户端发送请求后，需要等待服务端（内核）返回信息后，再继续发送下一个请求。
在同步机制中，所有的请求在服务器端得到同步，即发送方和接收方对请求的处理步调是一致的。

异步机制

异步机制，是指客户端发出一个请求后，不等待服务端（内核）返回信息，就继续发送下一个请求。
在异步机制中，所有来自发送方的请求形成一个队列，接收方处理完后再通知发送方。

举例：一家酒店前台，在旺季的高峰时间段会接很多预定酒席的电话。
如果是同步机制情况下，前台每接一个电话后先不挂掉电话，而是去查询有无剩余酒席，查到结果后，告诉客户。
如果是异步机制情况下，前台每接一个预定电话直接回复客户，一会回复，此时前台把查询这件事情交给了另外的同事，
该前台挂掉电话后，继续处理其他客户的事情，当另外的同事查询到结果后再通知给前台，前台再通知客户。

阻塞

阻塞与非阻塞发生在IO调度中，比如内核到磁盘IO。
阻塞方式下，进程/线程在获取最终结果之前，被系统挂起了，也就是所谓的阻塞了，在阻塞过程中该进程什么都干不了，
直到最终结果反馈给它时，它才恢复运行状态。

非阻塞

非阻塞方式和阻塞相反，进程/线程在获取最终结果之前，并没有进入被挂起的状态，而是该进程可以继续执行新的任务。
当有最终结果反馈给该进程时，它再把结果交给客户端。

举例：依然是酒店前台接待预定酒席电话的案例。
此时角色不再是前台，而是她的查询有无剩余酒席的同事。如果是阻塞方式，该同事在查询有无剩余酒席的过程中，需要傻傻地
等待酒店管理系统给他返回结果，在此期间不能做其他事情。
如果是非阻塞，该同事在等待酒店管理系统给他返回结果这段时间，可以做其他事情，比如可以通知前台剩余酒席的情况。

Nginx的请求机制

Nginx之所以可以支持高并发，是因为Nginx用的是异步非阻塞的机制，而Nginx是靠事件驱动模型来实现这种机制的。

在Nginx的事件驱动模型下，客户端发起的所有请求在服务端都会被标记为一个事件，Nginx会把这些事件收集到“事件收集器”里，
然后再把这些事件交给内核去处理。

事件驱动模型

事件驱动模型是实现异步非阻塞的一个手段。事件驱动模型中，一个进程（线程）就可以了。

对于web服务器来说，客户端A的请求连接到服务端时，服务端的某个进程（Nginx worker process）会处理该请求，
此进程在没有返回给客户端A结果时，它又去处理了客户端B的请求。
服务端把客户端A以及客户端B发来的请求作为事件交给了“事件收集器”，
而“事件收集器”再把收集到的事件交由“事件发送器”发送给“事件处理器”进行处理。
最后“事件处理器”处理完该事件后，通知服务端进程，服务端进程再把结果返回给客户端A、客户端B。

在这个过程中，服务端进程做的事情属于用户级别的，而事件处理这部分工作属于内核级别的。
也就是说这个事件驱动模型是需要操作系统内核来作为支撑的。

Nginx的事件驱动模型

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Nginx的事件驱动模型，支持select、poll、epoll、rtsig、kqueue、/dev/poll、eventport等。
最常用的是前三种，其中kqueue模型用于支持BSD系列平台的事件驱动模型。kqueue是poll模型的一个变种，本质上和epoll一样。
/dev/poll是Unix平台的事件驱动模型，其主要在Solaris7及以上版本、HP/UX11.22及以上版本、IRIX6.5.15及以上版本、
Tru64 Unix 5.1A及以上版本的平台使用。
eventport是用于支持Solaris10及以上版本的事件驱动模型。

select模型

Linux和Windows都支持，使用select模型的步骤是：

  1. 创建所关注事件的描述符集合，对于一个描述符，可以关注其上面的读(Read)事件、写(Write)事件以及异常发生(Exception)事件。
    在select模型中，要创建这3类事件描述符集合。

  2. 调用底层提供的select()函数，等待事件发生。

  3. 轮询所有事件描述符集合中的每一个事件描述符，检查是否有相应的事件发生，如果有就进行处理。

poll模型

poll模型是Linux平台上的事件驱动模型，在Linux2.1.23中引入的，Windows平台不支持该模型。

poll模型和select模型工作方式基本相同，区别在于，select模型创建了3个描述符集合，而poll模型只创建一个描述符集合。

epoll模型

epoll模型属于poll模型的变种，在Linux2.5.44中引入。epoll比poll更加高效，原因在于它不需要轮询整个描述符集合，
而是Linux内核会关注事件集合，当有变动时，内核会发来通知。

Nginx架构

Nginx服务器使用 master/worker 多进程模式。
主进程(Master process)启动后，会接收和处理外部信号；
主进程启动后通过fork() 函数产生一个或多个子进程(work process)，每个子进程会进行进程初始化、
模块调用以及对事件的接收和处理等工作。

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主进程

主要功能是和外界通信和对内部其他进程进行管理，具体来说有以下几点：

  • 读取Nginx配置文件并验证其有效性和正确性

  • 建立、绑定和关闭socket

  • 按照配置生成、管理工作进程

  • 接收外界指令，比如重启、关闭、重载服务等指令

  • 日志文件管理

子进程（worker process)

是由主进程生成，生成数量可以在配置文件中定义。该进程主要工作有：

  • 接收客户端请求

  • 将请求依次送入各个功能模块进行过滤处理

  • IO调用，获取响应数据

  • 与后端服务器通信，接收后端服务器处理结果

  • 数据缓存，访问缓存索引，查询和调用缓存数据

  • 发送请求结果，响应客户端请求

  • 接收主进程指令，如重启、重载、退出等

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