nginx“线程池模式”探讨;据说有9倍性能提升

2020-06-10 00:00:00 数据 文件 读取 多线程 进程

原创：小姐姐味道（微信公众号ID：xjjdog），欢迎分享，转载请保留出处。

相对于Apache的同步IO模型，Nginx由于采用了NIO的缘故，性能上碾压前者。Nginx是轻量级的，占用的系统资源更少，天然支持高并发。

今天我们就简单的讨论一下nginx的线程模型。注意不是进程模型哦。

nginx的IO模型，大家应该都有所了解。简单而言，就是一个master进程和多个worker进程（进程数由配置决定）；master进程负责accept请求并队列化，后转发给worker进程并由其进行请求处理和响应的整个过程。

nginx是以多进程模式运行的。nginx在1.7.11版本提供了多线程特性（multi-threading），不过这个多线程仅用在aio模型中对本地文件的操作上，出发点就是以非阻塞模式，来提高文件IO的效率和并发能力。

所以这个多线程，并不是nginx通过多线程的方式处理proxy request（这部分是通过epoll模式），而是用来处理本地的一些静态文件。

这里涉及到几个基本指令：sendfile、aio和directio，它们均与本地文件的操作有关，接下来我们分别看看它的意义。

sendfile

这个指令与系统函数sendfile()具有相同的语义，sendfile的目的就是提高本地文件通过socket发送的效率。官方的博客介绍了如何利用nginx 线程池aio，实现9倍的性能。

它还有一个比较好记的名称，叫做零拷贝。那与传统的文件读取然后发送到网络上，有什么区别呢？

磁盘、网络驱动器、内存是三种不同的传输介质，如果从本地读取一个文件并通过socket发送出去，通常情况下是进过如下几个步骤：

  • 1）磁盘驱动器从根据CPU的调度，从磁盘读取一定长度（chunk）的字节数据
  • 2）字节数据copy到内核内存中
  • 3）将内核内存中的数据copy到进程工作区内存
  • 4）进程通过socket将数据copy到网络驱动器缓存， 并通过相应的传输协议发送出去。

可以看到，数据的发送过程涉及到多次copy，这受限于计算机系统的设计问题。

sendfile的主要出发点，就是要减少数据的copy以提高发送效率，sendfile是linux系统级的调用，socket可以通过DMA（直接内存访问）方式直接访问文件数据，并通过传输协议发送，减少了2次数据copy（磁盘到内核，内核到工作区）。

sendfile_max_chunk参数用于限定每次sendfile()调用发送的大数据尺寸，如果不限制大小的话，将会独占整个worker进程，默认为“无限制”。这也太霸道了。

对于nginx而言，代理静态本地的静态文件资源（通常是小文件）将是非常高效的，建议对一些静态文件比如html、图片等，开启此参数。

location /video {  
    sendfile on;  
    sendfile_max_chunk 128k;  
    aio on;  
}  
复制代码

directio

这个指令用于开启对O_DIRECT标记（BSD，linux）的使用，对应directio()这个系统调用。

此参数是针对大文件而设定的，sendfile针对的是小文件。通过directio可以指定限定的尺寸大小，对于超过此size的文件，将会使用directio（而不再使用sendfile）。

根据directio的设计初衷，它具备sendfile的基本原理，只是不使用内核cache，而是直接使用DMA，而且使用之后内存cache（页对齐部分）也将被释放。

因此directio通常适用于大文件读取，而且通常读取频率很低。因为对于高频的读取，它并不能提高效率（因为它不会重用cache，而是每次都DMA）。由于存在性能权衡问题，此参数默认为off。

location /video {  
    sendfile on;  
    directio 8m;  
    aio on;  
}  
复制代码

aio

谈到aio模型，其实语义也基本相同，就是异步文件IO，nginx默认关闭此特性，它需要在高版本的linux平台上才支持（2.6.22+）。

在linux上，directio只能读取基于512字节边界对齐的blocks，文件结束的那些未对齐的block将使用阻塞模式读取。

同样，如果文件在开头没有对齐，整个文件都将阻塞式读取。这里所谓的对齐，就是文件数据在内存页中的cache情况。

当aio和sendfile都开启时，将会对那些size大于directio设定值的文件使用aio机制：即当小于directio设定值的文件将直接使用sendfile（aio不参与）。

aio，简单而言，就是使用多线程异步模式读取较大的文件，以提高IO效率，但是事实上可能并没有任何提高。因为大文件的读取，并不能使用cache、而且本身也是耗时的，即使是多线程，对于request的等待时间也是无法预估的，特别是并发请求较高的时候。但是aio能够提高IO的并发能力，这个是确定的。

默认情况下，多线程模式是关闭的，我们需要通过--with-threads配置来开启，此特性尽在支持epoll、kqueue的平台上兼容。对于线程池的设置，我们可以通过thread_pool来声明，并在aio指令中指定。

我们的配置文件近一步丰富了一些。

thread_pool default_pool threads=16;##main上下文  
...  
location /video {  
    sendfile on;  
    sendfile_max_chunk 128k;  
    directio 8M;  
    aio threads=default_pool;  
}  
复制代码

当线程池中所有的线程都处于busy状态，那么新的task请求将会加入到等待队列。我们可以在thread_pool中使用max_queue参数来指定队列的大小，默认队列大小为65536，当队列已满后续的请求将会抛出error。

END

nginx官方宣称使用多线程模式，在aio读取文件场景下，性能有9倍的提升，但我还是对这个测试具有一定怀疑态度。

多线程 + aio在一定程度的确可以提高文件IO的读取性能，但是对于大文件而言，这似乎并没有想象的那么。这受制于linux平台底层的本身特性，除非nginx自己对文件cache做了额外的操作。

到目前为止，xjjdog仍有以下建议（供参考）：

  • 1）对于小文件的静态代理，我们应该开启sendfile，这对性能的提升是显著的。
  • 2）对于大文件读取（低频），我们可以尝试开启aio、directio，在提升并发能力的前提下，关注request的实际响应效率；既然官方推荐这么用，我们可以报以尝试的态度。
  • 3）对于高频大文件读取，aio、directio的性能或许提升并不显著，但应该不会降低性能。

作者简介：小姐姐味道 (xjjdog)，一个不允许程序员走弯路的公众号。聚焦基础架构和Linux。十年架构，日百亿流量，与你探讨高并发世界，给你不一样的味道。我的个人微信xjjdog0，欢迎添加好友，​进一步交流。​

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