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为什么 Nginx 比 Apache 更牛叉?

ByteNews
2023-02-08 / 0 评论 / 0 点赞 / 9,422 阅读 / 3,550 字 / 正在检测是否收录...
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为什么 Nginx 比 Apache 更牛叉?

  • 一、Apache 三种工作模式

    • 1、prefork 的工作原理
    • 2、worker 的工作原理
    • 3、event 基于事件机制的特性
  • 二、如何提高 Web 服务器的并发连接处理能力

  • 三、Nginx 优异之处

  • 四、Nginx 工作原理

  • 五、Nginx 的诞生主要解决 C10K 问题

    • 1、select 模型:(apache 使用,由于受模块等限制,用的不多);
    • 2、poll:poll 是 unix 沿用 select 自己重新实现了一遍,唯一解决的问题是 poll 没有最大文件描述符数量的限制;
    • 3、epoll 模型:(Nginx 使用)

Nginx 才短短几年,就拿下了 Web 服务器大壁江山,众所周知,Nginx 在处理大并发静态请求方面,效率明显高于 Httpd,甚至能轻松解决 C10K 问题。

在高并发连接的情况下,Nginx 是 Apache 服务器不错的替代品。Nginx 同时也可以作为 7 层负载均衡服务器来使用。根据我的测试结果,Nginx + PHP(FastCGI) 可以承受 3 万以上的并发连接数,相当于同等环境下 Apache 的 10 倍。

一般来说,4GB 内存的服务器+Apache(prefork 模式)一般只能处理 3000 个并发连接,因为它们将占用 3GB 以上的内存,还得为系统预留 1GB 的内存。我曾经就有两台 Apache 服务器,因为在配置文件中设置的 MaxClients 为 4000,当 Apache 并发连接数达到 3800 时,导致服务器内存和 Swap 空间用满而崩溃。

而这台 Nginx + PHP(FastCGI) 服务器在 3 万并发连接下,开启的 10 个 Nginx 进程消耗 150M 内存(15M*10=150M),开启的 64 个 php-cgi 进程消耗 1280M 内存(20M*64=1280M),加上系统自身消耗的内存,总共消耗不到 2GB 内存。如果服务器内存较小,完全可以只开启 25 个 php-cgi 进程,这样 php-cgi 消耗的总内存数才 500M。

在 3 万并发连接下,访问 Nginx+ PHP(FastCGI) 服务器的 PHP 程序,仍然速度飞快。

为什么 Nginx 在处理高并发方面要优于 httpd,我们先从两种 web 服务器的工作原理以及工作模式说起。

一、Apache 三种工作模式

我们都知道 Apache 有三种工作模块,分别为:prefork、worker、event。

  • prefork: 多进程,每个请求用一个进程响应,这个过程会用到 select 机制来通知。
  • worker: 多线程,一个进程可以生成多个线程,每个线程响应一个请求,但通知机制还是 select 不过可以接受更多的请求。
  • event: 基于异步 I/O 模型,一个进程或线程,每个进程或线程响应多个用户请求,它是基于事件驱动(也就是 epoll 机制)实现的。

1、prefork 的工作原理

如果不用“–with-mpm”显式指定某种 MPM,prefork 就是 Unix 平台上缺省的 MPM。它所采用的预派生子进程方式也是 Apache1.3 中采用的模式。prefork 本身并没有使用到线程,2.0 版使用它是为了与 1.3 版保持兼容性;另一方面,prefork 用单独的子进程来处理不同的请求,进程之间是彼此独立的,这也使其成为最稳定的 MPM 之一。

2、worker 的工作原理

相对于 prefork,worker 是 2.0 版中全新的支持多线程和多进程混合模型的 MPM。由于使用线程来处理,所以可以处理相对海量的请求,而系统资源的开销要小于基于进程的服务器。但是,worker 也使用了多进程,每个进程又生成多个线程,以获得基于进程服务器的稳定性,这种 MPM 的工作方 式将是 Apache2.0 的发展趋势。

3、event 基于事件机制的特性

一个进程响应多个用户请求,利用 callback 机制,让套接字复用,请求过来后进程并不处理请求,而是直接交由其他机制来处理,通过 epoll 机制来通知请求是否完成;在这个过程中,进程本身一直处于空闲状态,可以一直接收用户请求。可以实现一个进程程响应多个用户请求。支持持海量并发连接数,消耗更少的资源。

二、如何提高 Web 服务器的并发连接处理能力

有几个基本条件:

1、基于线程,即一个进程生成多个线程,每个线程响应用户的每个请求。

2、基于事件的模型,一个进程处理多个请求,并且通过 epoll 机制来通知用户请求完成。

3、基于磁盘的 AIO(异步 I/O)

4、支持 mmap 内存映射,mmap 传统的 web 服务器,进行页面输入时,都是将磁盘的页面先输入到内核缓存中,再由内核缓存中复制一份到 web 服务器上,mmap 机制就是让内核缓存与磁盘进行映射,web 服务器,直接复制页面内容即可。不需要先把磁盘的上的页面先输入到内核缓存去。

刚好,Nginx 支持以上所有特性。所以 Nginx 官网上说,Nginx 支持 50000 并发,是有依据的。

三、Nginx 优异之处

传统上基于进程或线程模型架构的 Web 服务通过每进程或每线程处理并发连接请求,这势必会在网络和 I/O 操作时产生阻塞,其另一个必然结果则是对内存或 CPU 的利用率低下。

生成一个新的进程/线程需要事先备好其运行时环境,这包括为其分配堆内存和栈内存,以及为其创建新的执行上下文等。这些操作都需要占用 CPU,而且过多的进程/线程还会带来线程抖动或频繁的上下文切换,系统性能也会由此进一步下降。

另一种高性能 web 服务器/Web 服务器反向代理:Nginx,Nginx 的主要着眼点就是其高性能以及对物理计算资源的高密度利用,因此其采用了不同的架构模型。受启发于多种操作系统设计中基于“事件”的高级处理机制,Nginx 采用了模块化、事件驱动、异步、单线程及非阻塞的架构,并大量采用了多路复用及事件通知机制。

在 Nginx 中,连接请求由为数不多的几个仅包含一个线程的进程 Worker 以高效的回环(run-loop)机制进行处理,而每个 Worker 可以并行处理数千个的并发连接及请求。

四、Nginx 工作原理

Nginx 会按需同时运行多个进程:一个主进程(master)和几个工作进程(worker),配置了缓存时还会有缓存加载器进程(cache loader)和缓存管理器进程(cache manager)等。所有进程均是仅含有一个线程,并主要通过“共享内存”的机制实现进程间通信。主进程以 root 用户身份运行,而 worker、cache loader 和 cache manager 均应以非特权用户身份运行。

在高连接并发的情况下,Nginx 是 Apache 服务器不错的替代品。

Nginx 安装非常的简单 , 配置文件非常简洁(还能够支持 perl 语法),Bugs 非常少的服务器: Nginx 启动特别容易, 并且几乎可以做到 7*24 不间断运行,即使运行数个月也不需要重新启动. 你还能够 不间断服务的情况下进行软件版本的升级 。

五、Nginx 的诞生主要解决 C10K 问题

最后我们从各自使用的多路复用 IO 模型来分析:

1、select 模型:(apache 使用,由于受模块等限制,用的不多);

单个进程能够 监视的文件描述符的数量存在最大限制;

select()所维护的 存储大量文件描述符的数据结构 ,随着文件描述符数量的增长,其在用户态和内核的地址空间的复制所引发的开销也会线性增长;

由于网络响应时间的延迟使得大量 TCP 连接处于非活跃状态,但调用 select()还是会对 所有的 socket 进行一次线性扫描 ,会造成一定的开销;

2、poll:poll 是 unix 沿用 select 自己重新实现了一遍,唯一解决的问题是 poll 没有最大文件描述符数量的限制;

3、epoll 模型:(Nginx 使用)

epoll 带来了两个优势,大幅度提升了性能:

(1)基于事件的就绪通知方式 ,select/poll 方式,进程只有在调用一定的方法后,内核才会对所有监视的文件描述符进行扫描,而 epoll 事件通过 epoll_ctl()注册一个文件描述符,一旦某个文件描述符就绪时,内核会采用类似 call back 的回调机制,迅速激活这个文件描述符,epoll_wait()便会得到通知

(2)调用一次 epoll_wait()获得就绪文件描述符时,返回的并不是实际的描述符,而是一个代表就绪描述符数量的值,拿到这些值去 epoll 指定的一个数组中依次取得相应数量的文件描述符即可,这里使用内存映射(mmap)技术, 避免了复制大量文件描述符带来的开销

(3)当然 epoll 也有一定的局限性, epoll 只有 Linux2.6 才有实现 ,而其他平台都没有,这和 apache 这种优秀的跨平台服务器,显然是有些背道而驰了。

(4)简单来说 epoll 是 select 的升级版,单进程管理的文件描述符没有最大限制。但 epoll 只有 linux 平台可使用。作为跨平台的 Apache 没有使用

END

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