技巧 Linux Nginx

Nginx 是如何解决惊群效应的？

Posted by Mike on 2023-09-12

前置知识

  • linux 网络处理的基本方法：bind listen accept
  • epoll 的基本方法：epoll_create epoll_ctl epoll_wait

什么是惊群效应？

第一次听到的这个名词的时候觉得很是有趣，不知道是个什么意思，总觉得又是奇怪的中文翻译导致的。

复杂的说（来源于网络）TLDR;

惊群效应（thundering herd）是指多进程（多线程）在同时阻塞等待同一个事件的时候（休眠状态），如果等待的这个事件发生，那么他就会唤醒等待的所有进程（或者线程），但是最终却只能有一个进程（线程）获得这个时间的“控制权”，对该事件进行处理，而其他进程（线程）获取“控制权”失败，只能重新进入休眠状态，这种现象和性能浪费就叫做惊群效应。

简单的讲（我的大白话）

有一道雷打下来，把很多人都吵醒了，但只有其中一个人去收衣服了。
也就是：
有一个请求过来了，把很多进程都唤醒了，但只有其中一个能最终处理。

原因&问题

说起来其实也简单，多数时候为了提高应用的请求处理能力，会使用多进程（多线程）去监听请求，当请求来时，因为都有能力处理，所以就都被唤醒了。

而问题就是，最终还是只能有一个进程能来处理。当请求多了，不停地唤醒、休眠、唤醒、休眠，做了很多的无用功，上下文切换又累，对吧。那怎么解决这个问题呢？下面就是今天要看的重点，我们看看 nginx 是如何解决这个问题的。

Nginx 架构

第一点我们需要了解 nginx 大致的架构是怎么样的。nginx 将进程分为 master 和 worker 两类，非常常见的一种 M-S 策略，也就是 master 负责统筹管理 worker，当然它也负责如：启动、读取配置文件，监听处理各种信号等工作。

图片来自： https://aosabook.org/en/v2/nginx.html

但是，第一个要注意的问题就出现了，master 的工作有且只有这些，对于请求来说它是不管的，就如同图中所示，请求是直接被 worker 处理的。如此一来，请求应该被哪个 worker 处理呢？worker 内部又是如何处理请求的呢？

Nginx 使用 epoll

接下来我们就要知道 nginx 是如何使用 epoll 来处理请求的。下面可能会涉及到一些源码的内容，但不用担心，你不需要全部理解，只需要知道它们的作用就可以了。顺便我会简单描述一下我是如何去找到这些源码的位置的。

Master 的工作

其实 Master 并不是毫无作为，至少端口是它来占的。
https://github.com/nginx/nginx/blob/b489ba83e9be446923facfe1a2fe392be3095d1f/src/core/ngx_connection.c#L407C13-L407C13

1
2
3
4
5
6
7
8
9
ngx_open_listening_sockets(ngx_cycle_t *cycle)
{
    .....
    for (i = 0; i < cycle->listening.nelts; i++) {
        .....
        if (bind(s, ls[i].sockaddr, ls[i].socklen) == -1) {

        if (listen(s, ls[i].backlog) == -1) {
}

那么，根据我们 nginx.conf 的配置文件，看需要监听哪个端口，于是就去 bind 的了，这里没问题。

【发现源码】这里我是直接在代码里面搜 bind 方法去找的，因为我知道，不管你怎么样，你总是要绑定端口的

然后是创建 worker 的，虽不起眼，但很关键。 https://github.com/nginx/nginx/blob/b489ba83e9be446923facfe1a2fe392be3095d1f/src/os/unix/ngx_process.c#L186

1
2
3
4
5
ngx_spawn_process(ngx_cycle_t *cycle, ngx_spawn_proc_pt proc, void *data,
    char *name, ngx_int_t respawn)
{
    ....
    pid = fork();

【发现源码】这里我直接搜 fork，整个项目里面需要 fork 的情况只有两个地方，很快就找到了 worker

由于是 fork 创建的，也就是复制了一份 task_struct 结构。所以 master 的几乎全部它都有。

Worker 的工作

Nginx 有一个分模块的思想，它将不同功能分成了不同的模块，而 epoll 自然就是在 ngx_epoll_module.c 中了

https://github.com/nginx/nginx/blob/b489ba83e9be446923facfe1a2fe392be3095d1f/src/event/modules/ngx_epoll_module.c#L330C23-L330C23

1
2
3
4
5
6
7
8
ngx_epoll_init(ngx_cycle_t *cycle, ngx_msec_t timer)
{
    ngx_epoll_conf_t  *epcf;

    epcf = ngx_event_get_conf(cycle->conf_ctx, ngx_epoll_module);
    
    if (ep == -1) {
        ep = epoll_create(cycle->connection_n / 2);

其他不重要，就连 epoll_ctl 和 epoll_wait 也不重要了，这里你需要知道的就是，从调用链路来看，是 worker 创建的 epoll 对象，也就是每个 worker 都有自己的 epoll 对象，而监听的sokcet 是一样的！

【发现源码】这里更加直接，搜索 epoll_create 肯定就能找到

问题的关键

此时问题的关键基本就能了解了，每个 worker 都有处理能力，请求来了此时应该唤醒谁呢？讲道理那不是所有 epoll 都会有事件，所有 worker 都 accept 请求？显然这样是不行的。那么 nginx 是如何解决的呢？

如何解决

解决方式一共有三种，下面我们一个个来看：

  1. accept_mutex（应用层的解决方案）
  2. EPOLLEXCLUSIVE（内核层的解决方案）
  3. SO_REUSEPORT（内核层的解决方案）

accept_mutex

看到 mutex 可能你就知道了，锁嘛！这也是对于高并发处理的 ”基操“ 遇事不决加锁，没错，加锁肯定能解决问题。 https://github.com/nginx/nginx/blob/b489ba83e9be446923facfe1a2fe392be3095d1f/src/event/ngx_event_accept.c#L328

具体代码就不展示了，其中细节很多，但本质很容易理解，就是当请求来了，谁拿到了这个锁，谁就去处理。没拿到的就不管了。锁的问题很直接，除了慢没啥不好的，但至少很公平。

EPOLLEXCLUSIVE

EPOLLEXCLUSIVE 是 2016 年 4.5+ 内核新添加的一个 epoll 的标识。它降低了多个进程/线程通过 epoll_ctl 添加共享 fd 引发的惊群概率，使得一个事件发生时，只唤醒一个正在 epoll_wait 阻塞等待唤醒的进程（而不是全部唤醒）。

关键是：每次内核只唤醒一个睡眠的进程处理资源

但，这个方案不是完美的解决了，它仅是降低了概率哦。为什么这样说呢？相比于原来全部唤醒，那肯定是好了不少，降低了冲突。但由于本质来说 socket 是共享的，当前进程处理完成的时间不确定，在后面被唤醒的进程可能会发现当前的 socket 已经被之前唤醒的进程处理掉了。

SO_REUSEPORT

Nginx 在 1.9.1 版本加入了这个功能 https://www.nginx.com/blog/socket-sharding-nginx-release-1-9-1/

其本质是利用了 Linux 的 reuseport 的特性，使用 reuseport 内核允许多个进程 listening socket 到同一个端口上，而从内核层面做了负载均衡，每次唤醒其中一个进程。

反应到 Nginx 上就是，每个 Worker 进程都创建独立的 listening socket，监听相同的端口，accept 时只有一个进程会获得连接。效果就和下图所示一样。

而使用方式则是：

1
2
3
4
5
6
7
http {
     server {
          listen 80 reuseport;
          server_name  localhost;
          # ...
     }
}

从官方的测试情况来看确实是厉害

当然，正所谓：完事无绝对，技术无银弹。这个方案的问题在于内核是不知道你忙还是不忙的。只会无脑的丢给你。与之前的抢锁对比，抢锁的进程一定是不忙的，现在手上的工作都已经忙不过来了，没机会去抢锁了；而这个方案可能导致，如果当前进程忙不过来了，还是会只要根据 reuseport 的负载规则轮到你了就会发送给你，所以会导致有的请求被前面慢的请求卡住了。

总结

本文，从了解什么 ”惊群效应“ 到 nginx 架构和 epoll 处理的原理，最终分析三种不同的处理 “惊群效应” 的方案。分析到这里，我想你应该明白其实 nginx 这个多队列服务模型是所存在的一些问题，只不过绝大多数场景已经完完全全够用了。

参考链接

本文转载自：「 LinkinStar’s Blog 」，原文：https://url.hi-linux.com/1472i ，版权归原作者所有。欢迎投稿，投稿邮箱: editor@hi-linux.com。

FEATURED TAGS
技巧 Linux Nginx
FRIENDS