Nginx学习笔记（二） Nginx–connection&request

Nginx–connection&request

　　在Nginx中，主要包括了连接与处理两部分。

[h1]connection[/h1]
　　在src/core文件夹下包含有connection的源文件，Ngx_connection.h/Ngx_connection.c中可以找到SOCK_STREAM，也就是说Nginx是基于TCP连接的。

[h2]连接过程[/h2]
　　对于应用程序,首先第一步肯定是加载并解析配置文件，Nginx同样如此，这样可以获得需要监听的端口和IP地址。之后，Nginx就要创建master进程，并建立socket，这样就可以创建多个worker进程来，每个worker进程都可以accept连接请求。当通过三次握手成功建立一个连接后，nginx的某一个worker进程会accept成功，得到这个建立好的连接的socket，然后创建ngx_connection_t结构体，存储客户端相关内容。

　　这样建立好连接后，服务器和客户端就可以正常进行读写事件了。连接完成后就可以释放掉ngx_connection_t结构体了。

　　同样，Nginx也可以作为客户端，这样就需要先创建一个ngx_connection_t结构体，然后创建socket，并设置socket的属性（ 比如非阻塞）。然后再通过添加读写事件，调用connect/read/write来调用连接，最后关掉连接，并释放ngx_connection_t。

struct ngx_connection_s {
void *data;
ngx_event_t *read;
ngx_event_t *write;

ngx_socket_t fd;

ngx_recv_pt recv;
ngx_send_pt send;
ngx_recv_chain_pt recv_chain;
ngx_send_chain_pt send_chain;

ngx_listening_t *listening;

off_t sent;

ngx_log_t *log;

ngx_pool_t *pool;

struct sockaddr *sockaddr;
socklen_t socklen;
ngx_str_t addr_text;

#if (NGX_SSL)
ngx_ssl_connection_t *ssl;
#endif

struct sockaddr *local_sockaddr;

ngx_buf_t *buffer;

ngx_queue_t queue;

ngx_atomic_uint_t number;

ngx_uint_t requests;

unsigned buffered:8;

unsigned log_error:3; /* ngx_connection_log_error_e */

unsigned unexpected_eof:1;
unsigned timedout:1;
unsigned error:1;
unsigned destroyed:1;

unsigned idle:1;
unsigned reusable:1;
unsigned close:1;

unsigned sendfile:1;
unsigned sndlowat:1;
unsigned tcp_nodelay:2; /* ngx_connection_tcp_nodelay_e */
unsigned tcp_nopush:2; /* ngx_connection_tcp_nopush_e */

#if (NGX_HAVE_IOCP)
unsigned accept_context_updated:1;
#endif

#if (NGX_HAVE_AIO_SENDFILE)
unsigned aio_sendfile:1;
ngx_buf_t *busy_sendfile;
#endif

#if (NGX_THREADS)
ngx_atomic_t lock;
#endif
};

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[h2]连接池[/h2]
 　　在linux系统中，每一个进程能够打开的文件描述符fd是有限的，而每创建一个socket就会占用一个fd，这样创建的socket就会有限的。在Nginx中，采用连接池的方法，可以避免这个问题。

 　　Nginx在实现时，是通过一个连接池来管理的，每个worker进程都有一个独立的连接池，连接池的大小是worker_connections。这里的连接池里面保存的其实不是真实的连接，它只是一个worker_connections大小的一个ngx_connection_t结构的数组。并且，nginx会通过一个链表free_connections来保存所有的空闲ngx_connection_t，每次获取一个连接时，就从空闲连接链表中获取一个，用完后，再放回空闲连接链表里面（这样就节省了创建与销毁connection结构的开销）。

　　所以对于一个Nginx服务器来说,它所能创建的连接数也就是socket连接数目可以达到worker_processes（worker数）*worker_connections。

[h2]竞争问题[/h2]
　　对于多个worker进程同时accpet时产生的竞争，有可能导致某一worker进程accept了大量的连接，而其他worker进程却没有几个连接，这样就导致了负载不均衡，对于负载重的worker进程中的连接响应时间必然会增大。很显然，这是不公平的，有的进程有空余连接，却没有处理机会，有的进程因为没有空余连接，却人为地丢弃连接。

　　nginx中存在accept_mutex选项，只有获得了accept_mutex的进程才会去添加accept事件，也就是说，nginx会控制进程是否添加accept事件。nginx使用一个叫ngx_accept_disabled的变量来控制进程是否去竞争accept_mutex锁。

ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n / 8 – ngx_cycle->free_connection_n; //可以看出来随着空余连接的增加，disabled的值降低

if (ngx_use_accept_mutex) {
if (ngx_accept_disabled > 0) {　　　　　　　　　　　//当disabled的值大于0时，禁止竞争，但每次-1
ngx_accept_disabled–;
} else {
if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {
return;
}
　　　　　　　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;
}
}
}
}


[h1]request[/h1]
　　在nginx中，request是http请求，具体到nginx中的数据结构是ngx_http_request_t。ngx_http_request_t是对一个http请求的封装。 

struct ngx_http_request_s {
uint32_t signature; /* “HTTP” */

ngx_connection_t *connection;

void **ctx;
void **main_conf;
void **srv_conf;
void **loc_conf;

ngx_http_event_handler_pt read_event_handler;
ngx_http_event_handler_pt write_event_handler;

#if (NGX_HTTP_CACHE)
ngx_http_cache_t *cache;
#endif

ngx_http_upstream_t *upstream;
ngx_array_t *upstream_states;
/* of ngx_http_upstream_state_t */

ngx_pool_t *pool;
ngx_buf_t *header_in;

ngx_http_headers_in_t headers_in;
ngx_http_headers_out_t headers_out;

ngx_http_request_body_t *request_body;

time_t lingering_time;
time_t start_sec;
ngx_msec_t start_msec;

ngx_uint_t method;
ngx_uint_t http_version;

ngx_str_t request_line;
ngx_str_t uri;
ngx_str_t args;
ngx_str_t exten;
ngx_str_t unparsed_uri;

ngx_str_t method_name;
ngx_str_t http_protocol;

ngx_chain_t *out;
ngx_http_request_t *main;
ngx_http_request_t *parent;
ngx_http_postponed_request_t *postponed;
ngx_http_post_subrequest_t *post_subrequest;
ngx_http_posted_request_t *posted_requests;

ngx_int_t phase_handler;
ngx_http_handler_pt content_handler;
ngx_uint_t access_code;

ngx_http_variable_value_t *variables;

#if (NGX_PCRE)
ngx_uint_t ncaptures;
int *captures;
u_char *captures_data;
#endif

size_t limit_rate;

/* used to learn the Apache compatible response length without a header */
size_t header_size;

off_t request_length;

ngx_uint_t err_status;

ngx_http_connection_t *http_connection;
#if (NGX_HTTP_SPDY)
ngx_http_spdy_stream_t *spdy_stream;
#endif

ngx_http_log_handler_pt log_handler;

ngx_http_cleanup_t *cleanup;

unsigned subrequests:8;
unsigned count:8;
unsigned blocked:8;

unsigned aio:1;

unsigned http_state:4;

/* URI with “/.” and on Win32 with “//” */
unsigned complex_uri:1;

/* URI with “%” */
unsigned quoted_uri:1;

/* URI with “+” */
unsigned plus_in_uri:1;

/* URI with ” ” */
unsigned space_in_uri:1;

unsigned invalid_header:1;

unsigned add_uri_to_alias:1;
unsigned valid_location:1;
unsigned valid_unparsed_uri:1;
unsigned uri_changed:1;
unsigned uri_changes:4;

unsigned request_body_in_single_buf:1;
unsigned request_body_in_file_only:1;
unsigned request_body_in_persistent_file:1;
unsigned request_body_in_clean_file:1;
unsigned request_body_file_group_access:1;
unsigned request_body_file_log_level:3;

unsigned subrequest_in_memory:1;
unsigned waited:1;

#if (NGX_HTTP_CACHE)
unsigned cached:1;
#endif

#if (NGX_HTTP_GZIP)
unsigned gzip_tested:1;
unsigned gzip_ok:1;
unsigned gzip_vary:1;
#endif

unsigned proxy:1;
unsigned bypass_cache:1;
unsigned no_cache:1;

/*
* instead of using the request context data in
* ngx_http_limit_conn_module and ngx_http_limit_req_module
* we use the single bits in the request structure
*/
unsigned limit_conn_set:1;
unsigned limit_req_set:1;

#if 0
unsigned cacheable:1;
#endif

unsigned pipeline:1;
unsigned chunked:1;
unsigned header_only:1;
unsigned keepalive:1;
unsigned lingering_close:1;
unsigned discard_body:1;
unsigned internal:1;
unsigned error_page:1;
unsigned ignore_content_encoding:1;
unsigned filter_finalize:1;
unsigned post_action:1;
unsigned request_complete:1;
unsigned request_output:1;
unsigned header_sent:1;
unsigned expect_tested:1;
unsigned root_tested:1;
unsigned done:1;
unsigned logged:1;

unsigned buffered:4;

unsigned main_filter_need_in_memory:1;
unsigned filter_need_in_memory:1;
unsigned filter_need_temporary:1;
unsigned allow_ranges:1;

#if (NGX_STAT_STUB)
unsigned stat_reading:1;
unsigned stat_writing:1;
#endif

/* used to parse HTTP headers */

ngx_uint_t state;

ngx_uint_t header_hash;
ngx_uint_t lowcase_index;
u_char lowcase_header[NGX_HTTP_LC_HEADER_LEN];

u_char *header_name_start;
u_char *header_name_end;
u_char *header_start;
u_char *header_end;

/*
* a memory that can be reused after parsing a request line
* via ngx_http_ephemeral_t
*/

u_char *uri_start;
u_char *uri_end;
u_char *uri_ext;
u_char *args_start;
u_char *request_start;
u_char *request_end;
u_char *method_end;
u_char *schema_start;
u_char *schema_end;
u_char *host_start;
u_char *host_end;
u_char *port_start;
u_char *port_end;

unsigned http_minor:16;
unsigned http_major:16;
};

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[h2]HTTP[/h2]
 　　这里需要复习下Http协议了。

　　http请求是典型的请求-响应类型的的网络协议，需要一行一行的分析请求行与请求头，以及输出响应行与响应头。

　　Request 消息分为3部分，第一部分叫请求行requset line， 第二部分叫http header, 第三部分是body. header和body之间有个空行。

　　Response消息的结构， 和Request消息的结构基本一样。 同样也分为三部分，第一部分叫response line, 第二部分叫response header，第三部分是body. header和body之间也有个空行。

　　分别为Request和Response消息结构图：

[h2]处理流程[/h2]
　　worker进程负责业务处理。在worker进程中有一个函数ngx_worker_process_cycle()，执行无限循环，不断处理收到的来自客户端的请求，并进行处理，直到整个nginx服务被停止。

　　一个HTTP Request的处理过程:　

1. 初始化HTTP Request（读取来自客户端的数据，生成HTTP Requst对象，该对象含有该请求所有的信息）。
2. 处理请求头。
3. 处理请求体。
4. 如果有的话，调用与此请求（URL或者Location）关联的handler
5. 依次调用各phase handler进行处理。

　　一个phase handler的执行过程：

1. 获取location配置。
2. 产生适当的响应。
3. 发送response header.
4. 发送response body.

　　这里直接上taobao团队的给出的Nginx流程图了。

　　从这个图中可以清晰的看到解析http消息每个部分的不同模块。

[h2]keepalive长连接[/h2]
　　长连接的定义：所谓长连接，指在一个连接上可以连续发送多个数据包，在连接保持期间，如果没有数据包发送，需要双方发链路检测包。

　　在这里，http请求是基于TCP协议之上的，所以建立需要三次握手，关闭需要四次握手。而http请求是请求应答式的，如果我们能知道每个请求头与响应体的长度，那么我们是可以在一个连接上面执行多个请求的，这就需要在请求头中指定content-length来表明body的大小。在http1.0与http1.1中稍有不同，具体情况如下：

对于http1.0协议来说，如果响应头中有content-length头，则以content-length的长度就可以知道body的长度了，客户端在接收body时，就可以依照这个长度来接收数据，接收完后，就表示这个请求完成了。而如果没有content-length头，则客户端会一直接收数据，直到服务端主动断开连接，才表示body接收完了。

而对于http1.1协议来说，如果响应头中的Transfer-encoding为chunked传输，则表示body是流式输出，body会被分成多个块，每块的开始会标识出当前块的长度，此时，body不需要通过长度来指定。如果是非chunked传输，而且有content-length，则按照content-length来接收数据。否则，如果是非chunked，并且没有content-length，则客户端接收数据，直到服务端主动断开连接。

Http1.0与Http1.1 length
 

　　当客户端的一次访问，需要多次访问同一个server时，打开keepalive的优势非常大，比如图片服务器，通常一个网页会包含很多个图片。打开keepalive也会大量减少time-wait的数量。

[h2]pipeline管道线[/h2]
 　　管道技术是基于长连接的，目的是利用一个连接做多次请求。

　　keepalive采用的是串行方式，而pipeline也不是并行的，但是它可以减少两个请求间的等待的事件。nginx在读取数据时，会将读取的数据放到一个buffer里面，所以，如果nginx在处理完前一个请求后，如果发现buffer里面还有数据，就认为剩下的数据是下一个请求的开始，然后就接下来处理下一个请求，否则就设置keepalive。

[h2]lingering_close延迟关闭[/h2]
　　 当Nginx要关闭连接时，并非立即关闭连接，而是再等待一段时间后才真正关掉连接。目的在于读取客户端发来的剩下的数据。

　　如果服务器直接关闭，恰巧客户端刚发送消息，那么就不会有ACK，导致出现没有任何错误信息的提示。

　　Nginx通过设置一个读取客户数据的超时事件lingering_timeout来防止以上问题的发生。

 

　　参考：http://tengine.taobao.org/book/#id2