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    Nginx中accept锁的机制与实现

    栏目:nginx问题汇总 时间:2018-12-21 10:21

      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);
          }
          }