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  • nginx的前世今生

    Nginx最初的设计是称为一个http服务器,一个能够解决C10K问题的http服务器。

    那么问题来了,什么是C10K呢?C10K问题即(单机10万个并发链接问题),这个概念最早是由Dan Kegel发布于其个人站点。

    我们说互联网的基础是网络通信对吗?而早期的互联网可以说是一个小群体的集合。互联网还不够普及,用户也不多,一台服务器同时在线100个用户估计在当时已经是大型网站了,所以并不存在C10K的难题。互联网的爆发期应该在www网站,浏览器,雅虎出现后。

    web1.0的出现,互联网的大部分使用场景是下载一个HTML页面,用户在浏览器中查看网页上的信息,这个时期也不存在C10K的问题。

    web2.0时代的到来,一方面是普及率大大提升,用户集群倍数增长,另一方面互联网不在是单纯的浏览万维网网页上的信息,逐渐开始进行交互,而且应用程序的逻辑也变的更复杂了,从简单的表单提交提交,到即时通信和在线实时互动,C10K的问题出现了。因为每一个用户都需要与服务器保持TCP链接才能进行实时的数据交互。

    最初的服务器都是基于进程/线程模型的,新到来的一个TCP链接,就需要分配1个进程(或者线程)。而进程又是操作系统最昂贵的资源,一台机器无法创建很多个进程。如果是C10K就要创建1万个进程,那么单机而言操作系统是无法承受的,如果采用分布式系统,维持1亿的在线用户需要10万台服务器,成本巨大。

    这些局限和问题最早被Dan Kegel进行了归纳和总结,并首次系统分析并提粗解决方案,后来这种普遍的网络网络现象和技术局限被成为C10K。

    解决以上问题呢,有两种思路:

    一种是对于每一个链接处理分配一个独立的进程/线程;另一个思路是用同一个进程/线程来同时处理若干链接。

    创建的进程线程多了,数据拷贝频繁(缓存I/O、内核将数据拷贝到用户进程空间、阻塞), 进程/线程上下文切换消耗大, 导致操作系统崩溃。

    ● 实现方式2:select要解决上面阻塞的问题,思路很简单,如果我在读取文件句柄之前,先查下它的状态,ready 了就进行处理,不 ready 就不进行处理,这不就解决了这个问题了嘛?于是有了 select 方案。用一个 fd_set 结构体来告诉内核同时监控多个文件句柄,当其中有文件句柄的状态发生指定变化(例如某句柄由不可用变为可用)或超时,则调用返回。之后应用可以使用 FD_ISSET 来逐个查看是哪个文件句柄的状态发生了变化。这样做,小规模的连接问题不大,但当连接数很多(文件句柄个数很多)的时候,逐个检查状态就很慢了。因此,select 往往存在管理的句柄上限(FD_SETSIZE)。同时,在使用上,因为只有一个字段记录关注和发生事件,每次调用之前要重新初始化 fd_set 结构体。

    intselect(intnfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds,structtimeval *timeout);
    

    实现小结:有连接请求抵达了再检查处理。
    问题归纳:句柄上限+重复初始化+逐个排查所有文件句柄状态效率不高。

    ● 实现方式3:poll 主要解决 select 的前两个问题:通过一个 pollfd 数组向内核传递需要关注的事件消除文件句柄上限,同时使用不同字段分别标注关注事件和发生事件,来避免重复初始化。

    实现小结:设计新的数据结构提供使用效率。
    问题归纳:逐个排查所有文件句柄状态效率不高。

    ● 实现方式4:epoll既然逐个排查所有文件句柄状态效率不高,很自然的,如果调用返回的时候只给应用提供发生了状态变化(很可能是数据 ready)的文件句柄,进行排查的效率不就高多了么。epoll 采用了这种设计,适用于大规模的应用场景。实验表明,当文件句柄数目超过 10 之后,epoll 性能将优于 select 和 poll;当文件句柄数目达到 10K 的时候,epoll 已经超过 select 和 poll 两个数量级。

    实现小结:只返回状态变化的文件句柄。
    问题归纳:依赖特定平台(Linux)。

    nginx正是基于这样的开发理念,使得其有占用内存少,并发能力强的特性。

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