詳解nginx驚群問題的解決方式

對于nginx的驚群問題，我們首先需要理解的是，在nginx啟動過程中，master進程會監(jiān)聽配置文件中指定的各個端口，然后master進程就會調(diào)用fork()方法創(chuàng)建各個子進程，根據(jù)進程的工作原理，子進程是會繼承父進程的全部內(nèi)存數(shù)據(jù)以及監(jiān)聽的端口的，也就是說worker進程在啟動之后也是會監(jiān)聽各個端口的。關(guān)于驚群，指的就是當(dāng)客戶端有新建連接的請求到來時，就會觸發(fā)各個worker進程的連接建立事件，但是只有一個worker進程能夠正常處理該事件，而其他的worker進程會發(fā)現(xiàn)事件已經(jīng)失效，從而重新循環(huán)進入等待狀態(tài)。這種由于一個事件而“驚”起了所有worker進程的現(xiàn)象就是驚群問題。很明顯，如果所有的worker進程都被觸發(fā)了，那么這將消耗大量的資源，本文則主要講解nginx是如何處理驚群問題的。

1. 解決方式

在前面的文章中，我們講到，每個worker進程被創(chuàng)建的時候，都會調(diào)用ngx_worker_process_init()方法初始化當(dāng)前worker進程，這個過程中有一個非常重要的步驟，即每個worker進程都會調(diào)用epoll_create()方法為自己創(chuàng)建一個獨有的epoll句柄。對于每一個需要監(jiān)聽的端口，都有一個文件描述符與之對應(yīng)，而worker進程只有將該文件描述符通過epoll_ctl()方法添加到當(dāng)前進程的epoll句柄中，并且監(jiān)聽accept事件，此時才會被客戶端的連接建立事件觸發(fā)，從而處理該事件。從這里也可以看出，worker進程如果沒有將所需要監(jiān)聽的端口對應(yīng)的文件描述符添加到該進程的epoll句柄中，那么其是無法被觸發(fā)對應(yīng)的事件的?；谶@個原理，nginx就使用了一個共享鎖來控制當(dāng)前進程是否有權(quán)限將需要監(jiān)聽的端口添加到當(dāng)前進程的epoll句柄中，也就是說，只有獲取鎖的進程才會監(jiān)聽目標端口。通過這種方式，就保證了每次事件發(fā)生時，只有一個worker進程會被觸發(fā)。如下圖所示為worker進程工作循環(huán)的一個示意圖：

這里關(guān)于圖中的流程，需要說明的一點是，每個worker進程在進入循環(huán)之后就會嘗試獲取共享鎖，如果沒有獲取到，就會將所監(jiān)聽的端口的文件描述符從當(dāng)前進程的epoll句柄中移除（即使并不存在也會移除），這么做的主要目的是防止丟失客戶端連接事件，即使這可能造成少量的驚群問題，但是并不嚴重。試想一下，如果按照理論，在當(dāng)前進程釋放鎖的時候就將監(jiān)聽的端口的文件描述符從epoll句柄中移除，那么在下一個worker進程獲取鎖之前，這段時間各個端口對應(yīng)的文件描述符是沒有任何epoll句柄進行監(jiān)聽的，此時就會造成事件的丟失。如果反過來，按照圖中的在獲取鎖失敗的時候才移除監(jiān)聽的文件描述符，由于獲取鎖失敗，則說明當(dāng)前一定有一個進程已經(jīng)監(jiān)聽了這些文件描述符，因而此時移除是安全的。但是這樣會造成的一個問題是，按照上圖，當(dāng)前進程在一個循環(huán)執(zhí)行完畢的時候，會釋放鎖，然后處理其他的事件，注意這個過程中其是沒有釋放所監(jiān)聽的文件描述符的。此時，如果另一個進程獲取到了鎖，并且監(jiān)聽了文件描述符，那么這個時候就有兩個進程監(jiān)聽了文件描述符，因而此時如果客戶端發(fā)生連接建立事件，那么就會觸發(fā)兩個worker進程。這個問題是可以容忍的，主要原因有兩點：

1. 這個時候發(fā)生的驚群現(xiàn)象只觸發(fā)了更少的worker進程，比起每次都驚起所有的worker進程要好很多；
2. 會發(fā)生這種驚群問題的主要原因是，當(dāng)前進程釋放了鎖，但是沒有釋放所監(jiān)聽的文件描述符，但是worker進程在釋放鎖之后主要是處理客戶端連接的讀寫事件和檢查標志位，這個過程是非常短的，在處理完之后，其就會嘗試獲取鎖，這個時候就會釋放所監(jiān)聽的文件描述符了，而相較而言，獲取鎖的worker進程在等待處理客戶端的連接建立事件的事件就更長了，因而會發(fā)生驚群問題的概率還是比較小的。

2. 源碼講解

worker進程初始事件的方法主要是在ngx_process_events_and_timers()方法中進行的，下面我們就來看看該方法是如何處理整個流程的，如下是該方法的源碼：

void ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle) {
 ngx_uint_t flags;
 ngx_msec_t timer, delta;

 if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {
  return;
 }

 // 這里開始處理事件，對于kqueue模型，其指向的是ngx_kqueue_process_events()方法，
 // 而對于epoll模型，其指向的是ngx_epoll_process_events()方法
 // 這個方法的主要作用是，在對應(yīng)的事件模型中獲取事件列表，然后將事件添加到ngx_posted_accept_events
 // 隊列或者ngx_posted_events隊列中
 (void) ngx_process_events(cycle, timer, flags);

 // 這里開始處理accept事件，將其交由ngx_event_accept.c的ngx_event_accept()方法處理；
 ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_accept_events);

 // 開始釋放鎖
 if (ngx_accept_mutex_held) {
  ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
 }

 // 如果不需要在事件隊列中進行處理，則直接處理該事件
 // 對于事件的處理，如果是accept事件，則將其交由ngx_event_accept.c的ngx_event_accept()方法處理；
 // 如果是讀事件，則將其交由ngx_http_request.c的ngx_http_wait_request_handler()方法處理；
 // 對于處理完成的事件，最后會交由ngx_http_request.c的ngx_http_keepalive_handler()方法處理。

 // 這里開始處理除accept事件外的其他事件
 ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_events);
}

上面的代碼中，我們省略了大部分的檢查工作，只留下了骨架代碼。首先，worker進程會調(diào)用ngx_trylock_accept_mutex()方法獲取鎖，這其中如果獲取到了鎖就會監(jiān)聽各個端口對應(yīng)的文件描述符。然后會調(diào)用ngx_process_events()方法處理epoll句柄中監(jiān)聽到的事件。接著會釋放共享鎖，最后就是處理已建立連接的客戶端的讀寫事件。下面我們來看一下ngx_trylock_accept_mutex()方法是如何獲取共享鎖的:

ngx_int_t ngx_trylock_accept_mutex(ngx_cycle_t *cycle) {
 // 嘗試使用CAS算法獲取共享鎖
 if (ngx_shmtx_trylock(&ngx_accept_mutex)) {

  // ngx_accept_mutex_held為1表示當(dāng)前進程已經(jīng)獲取到了鎖
  if (ngx_accept_mutex_held && ngx_accept_events == 0) {
   return NGX_OK;
  }

  // 這里主要是將當(dāng)前連接的文件描述符注冊到對應(yīng)事件的隊列中，比如kqueue模型的change_list數(shù)組
  // nginx在啟用各個worker進程的時候，默認情況下，worker進程是會繼承master進程所監(jiān)聽的socket句柄的，
  // 這就導(dǎo)致一個問題，就是當(dāng)某個端口有客戶端事件時，就會把監(jiān)聽該端口的進程都給喚醒，
  // 但是只有一個worker進程能夠成功處理該事件，而其他的進程被喚醒之后發(fā)現(xiàn)事件已經(jīng)過期，
  // 因而會繼續(xù)進入等待狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為"驚群"現(xiàn)象。
  // nginx解決驚群現(xiàn)象的方式一方面是通過這里的共享鎖的方式，即只有獲取到鎖的worker進程才能處理
  // 客戶端事件，但實際上，worker進程是通過在獲取鎖的過程中，為當(dāng)前worker進程重新添加各個端口的監(jiān)聽事件，
  // 而其他worker進程則不會監(jiān)聽。也就是說同一時間只有一個worker進程會監(jiān)聽各個端口，
  // 這樣就避免了"驚群"問題。
  // 這里的ngx_enable_accept_events()方法就是為當(dāng)前進程重新添加各個端口的監(jiān)聽事件的。
  if (ngx_enable_accept_events(cycle) == NGX_ERROR) {
   ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
   return NGX_ERROR;
  }

  // 標志當(dāng)前已經(jīng)成功獲取到了鎖
  ngx_accept_events = 0;
  ngx_accept_mutex_held = 1;

  return NGX_OK;
 }

 // 前面獲取鎖失敗了，因而這里需要重置ngx_accept_mutex_held的狀態(tài)，并且將當(dāng)前連接的事件給清除掉
 if (ngx_accept_mutex_held) {
  // 如果當(dāng)前進程的ngx_accept_mutex_held為1，則將其重置為0，并且將當(dāng)前進程在各個端口上的監(jiān)聽
  // 事件給刪除掉
  if (ngx_disable_accept_events(cycle, 0) == NGX_ERROR) {
   return NGX_ERROR;
  }

  ngx_accept_mutex_held = 0;
 }

 return NGX_OK;
}

上面的代碼中，本質(zhì)上主要做了三件事：

1. 通過ngx_shmtx_trylock()方法嘗試使用CAS方法獲取共享鎖；
2. 獲取鎖之后則調(diào)用ngx_enable_accept_events()方法監(jiān)聽目標端口對應(yīng)的文件描述符；
3. 如果沒有獲取到鎖，則調(diào)用ngx_disable_accept_events()方法釋放所監(jiān)聽的文件描述符；

3. 小結(jié)

本文首先對驚群現(xiàn)象的產(chǎn)生原因進行了講解，然后介紹了nginx是如何解決驚群問題的，最后從源碼角度對nginx處理驚群問題的方式進行了講解。

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