Nginx中accept锁的机制与实现

Posted 2021-02-16 03ngnntds

前言
　　nginx采用多进程的模,当一个请求过来的时候,系统会对进程进行加锁操作,保证只有一个进程来接受请求。
　　本文基于Nginx 0.8.55源代码，并基于epoll机制分析
　　1. accept锁的实现
　　1.1 accpet锁是个什么东西
　　提到accept锁，就不得不提起惊群问题。
　　所谓惊群问题，就是指的像Nginx这种多进程的服务器，在fork后同时监听同一个端口时，如果有一个外部连接进来，会导致所有休眠的子进程被唤醒，而最终只有一个子进程能够成功处理accept事件，其他进程都会重新进入休眠中。这就导致出现了很多不必要的schedule和上下文切换，而这些开销是完全不必要的。
　　而在Linux内核的较新版本中，accept调用本身所引起的惊群问题已经得到了解决，但是在Nginx中，accept是交给epoll机制来处理的，epoll的accept带来的惊群问题并没有得到解决（应该是epoll_wait本身并没有区别读事件是否来自于一个Listen套接字的能力，所以所有监听这个事件的进程会被这个epoll_wait唤醒。），所以Nginx的accept惊群问题仍然需要定制一个自己的解决方案。
　　accept锁就是nginx的解决方案，本质上这是一个跨进程的互斥锁，以这个互斥锁来保证只有一个进程具备监听accept事件的能力。
　　实现上accept锁是一个跨进程锁，其在Nginx中是一个全局变量，声明如下：
　　ngx_shmtx_t ngx_accept_mutex;
　　这是一个在event模块初始化时就分配好的锁，放在一块进程间共享的内存中，以保证所有进程都能访问这一个实例，其加锁解锁是借由linux的原子变量来做CAS，如果加锁失败则立即返回，是一种非阻塞的锁。加解锁代码如下：
　　static ngx_inline ngx_uint_t
　　ngx_shmtx_trylock(ngx_shmtx_t *mtx)
　　{
　　return (*mtx->lock == 0 && ngx_atomic_cmp_set(mtx->lock, 0, ngx_pid));
　　}
　　#define ngx_shmtx_lock(mtx) ngx_spinlock((mtx)->lock, ngx_pid, 1024)
　　#define ngx_shmtx_unlock(mtx) (void) ngx_atomic_cmp_set((mtx)->lock, ngx_pid, 0)
　　可以看出，调用ngx_shmtx_trylock失败后会立刻返回而不会阻塞。
　　1.2 accept锁如何保证只有一个进程能够处理新连接
　　要解决epoll带来的accept锁的问题也很简单，只需要保证同一时间只有一个进程注册了accept的epoll事件即可。
　　Nginx采用的处理模式也没什么特别的，大概就是如下的逻辑：
　　尝试获取accept锁
　　if 获取成功：
　　在epoll中注册accept事件
　　else:
　　在epoll中注销accept事件
　　处理所有事件
　　释放accept锁
　　当然这里忽略了延后事件的处理，这部分我们放到后面讨论。
　　对于accept锁的处理和epoll中注册注销accept事件的的处理都是在ngx_trylock_accept_mutex中进行的。而这一系列过程则是在nginx主体循环中反复调用的void ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle)中进行。
　　也就是说，每轮事件的处理都会首先竞争accept锁，竞争成功则在epoll中注册accept事件，失败则注销accept事件，然后处理完事件之后，释放accept锁。由此只有一个进程监听一个listen套接字，从而避免了惊群问题。
　　1.3 事件处理机制为不长时间占用accept锁作了哪些努力
　　accept锁处理惊群问题的方案看起来似乎很美，但如果完全使用上述逻辑，就会有一个问题：如果服务器非常忙，有非常多事件要处理，那么“处理所有事件这一步”就会消耗非常长的时间，也就是说，某一个进程长时间占用accept锁，而又无暇处理新连接；其他进程又没有占用accept锁，同样无法处理新连接——至此，新连接就处于无人处理的状态，这对服务的实时性无疑是很要命的。
　　为了解决这个问题，Nginx采用了将事件处理延后的方式。即在ngx_process_events的处理中，仅仅将事件放入两个队列中：
　　ngx_thread_volatile ngx_event_t *ngx_posted_accept_events;
　　ngx_thread_volatile ngx_event_t *ngx_posted_events;
　　返回后先处理ngx_posted_accept_events后立刻释放accept锁，然后再慢慢处理其他事件。
　　即ngx_process_events仅对epoll_wait进行处理，事件的消费则放到accept锁释放之后，来最大限度地缩短占有accept的时间，来让其他进程也有足够的时机处理accept事件。
　　那么具体是怎么实现的呢？其实就是在static ngx_int_t ngx_epoll_process_events(ngx_cycle_t *cycle, ngx_msec_t timer, ngx_uint_t flags)的flags参数中传入一个NGX_POST_EVENTS的标志位，处理事件时检查这个标志位即可。
　　这里只是避免了事件的消费对于accept锁的长期占用，那么万一epoll_wait本身占用的时间很长呢？这种事情也不是不可能发生。这方面的处理也很简单，epoll_wait本身是有超时时间的，限制住它的值就可以了，这个参数保存在ngx_accept_mutex_delay这个全局变量中。
　　下面放上ngx_process_events_and_timers 的实现代码，可以大概一观相关的处理：
　　void
　　ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t cycle)
　　{
　　ngx_uint_t flags;
　　ngx_msec_t timer, delta;
　　/ 省略一些处理时间事件的代码 */
　　// 这里是处理负载均衡锁和accept锁的时机
　　if (ngx_use_accept_mutex) {
　　// 如果负载均衡token的值大于0, 则说明负载已满，此时不再处理accept, 同时把这个值减一
　　if (ngx_accept_disabled > 0) {
　　ngx_accept_disabled–;
　　} else {
　　// 尝试拿到accept锁
　　if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {
　　return;
　　}
　　// 拿到锁之后把flag加上post标志，让所有事件的处理都延后
　　// 以免太长时间占用accept锁
　　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; // 最多等ngx_accept_mutex_delay个毫秒，防止占用太久accept锁
　　}
　　}
　　}
　　}
　　delta = ngx_current_msec;
　　// 调用事件处理模块的process_events，处理一个epoll_wait的方法
　　(void) ngx_process_events(cycle, timer, flags);
　　delta = ngx_current_msec - delta; //计算处理events事件所消耗的时间
　　ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0, “timer delta: %M”, delta);
　　// 如果有延后处理的accept事件，那么延后处理这个事件
　　if (ngx_posted_accept_events) {
　　ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_accept_events);
　　}
　　// 释放accept锁
　　if (ngx_accept_mutex_held) {
　　ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
　　}
　　// 处理所有的超时事件
　　if (delta) {
　　ngx_event_expire_timers();
　　}
　　ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0,“posted events %p”, ngx_posted_events);
　　if (ngx_posted_events) {
　　if (ngx_threaded) {
　　ngx_wakeup_worker_thread(cycle);
　　} else {
　　// 处理所有的延后事件
　　ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_events);
　　}
　　}
　　}
　　再来看看ngx_epoll_process_events的相关处理：
//读事件
if ((revents & EPOLLIN) && rev->active) {
if ((flags & NGX_POST_THREAD_EVENTS) && !rev->accept) {
rev->posted_ready = 1;
} else {
rev->ready = 1;
}
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;
// 写事件
if ((revents & EPOLLOUT) && wev->active) {
if (flags & NGX_POST_THREAD_EVENTS) {
wev->posted_ready = 1;
} else {
wev->ready = 1;
}
if (flags & NGX_POST_EVENTS) {
ngx_locked_post_event(wev, &ngx_posted_events);
} else {
wev->handler(wev);
}
}

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