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。

connection

　　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。

连接过程

　　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
};

连接池

 　　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。

竞争问题

　　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;
                }
            }
        }
}

request

　　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;
};

HTTP

 　　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：

处理流程

　　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。

keepalive长连接

　　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。

　　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。

pipeline管道线

 　　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。

lingering_close延迟关闭

　　 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