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网络知识Nginx中accept锁的机制与实现详解

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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);
   }
  }

处理也相对简单,如果拿到了accept锁,就会有NGX_POST_EVENTS标志那么就会放到相应的队列中。没有的话就会直接处理事件。

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