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Linux 惊群效应之 Nginx 解决方案

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发表时间:2018-12-22 12:54

前言

因为项目涉及到 Nginx 一些公共模块的使用,而且也想对惊群效应有个深入的了解,在整理了网上资料以及实践后,记录成文章以便大家复习巩固。

结论

  • 不管还是多进程还是多线程,都存在惊群效应,本篇文章使用多进程分析。

  • 在 Linux2.6 版本之后,已经解决了系统调用 accept 的惊群效应(前提是没有使用 select、poll、epoll 等事件机制)。

  • 目前 Linux 已经部分解决了 epoll 的惊群效应(epoll 在 fork 之前),Linux2.6 是没有解决的。

  • Epoll 在 fork 之后创建仍然存在惊群效应,Nginx 使用自己实现的互斥锁解决惊群效应。

惊群效应是什么

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。

惊群效应消耗了什么

  • Linux 内核对用户进程(线程)频繁地做无效的调度、上下文切换等使系统性能大打折扣。上下文切换(context switch)过高会导致 CPU 像个搬运工,频繁地在寄存器和运行队列之间奔波,更多的时间花在了进程(线程)切换,而不是在真正工作的进程(线程)上面。直接的消耗包括 CPU 寄存器要保存和加载(例如程序计数器)、系统调度器的代码需要执行。间接的消耗在于多核 cache 之间的共享数据。

  • 为了确保只有一个进程(线程)得到资源,需要对资源操作进行加锁保护,加大了系统的开销。目前一些常见的服务器软件有的是通过锁机制解决的,比如 Nginx(它的锁机制是默认开启的,可以关闭);还有些认为惊群对系统性能影响不大,没有去处理,比如 Lighttpd

Linux 解决方案之 Accept

Linux 2.6 版本之前,监听同一个 socket 的进程会挂在同一个等待队列上,当请求到来时,会唤醒所有等待的进程。

Linux 2.6 版本之后,通过引入一个标记位 WQ_FLAG_EXCLUSIVE,解决掉了 accept 惊群效应。

具体分析会在代码注释里面,accept代码实现片段如下:

唤醒阻塞的 accept 代码片段如下:

Linux 解决方案之 Epoll

在使用 select、poll、epoll、kqueue 等 IO 复用时,多进程(线程)处理链接更加复杂。
在讨论 epoll 的惊群效应时候,需要分为两种情况:

  • epoll_create 在 fork 之前创建

  • epoll_create 在 fork 之后创建

epoll_create 在 fork 之前创建

与 accept 惊群的原因类似,当有事件发生时,等待同一个文件描述符的所有进程(线程)都将被唤醒,而且解决思路和 accept 一致。

为什么需要全部唤醒?因为内核不知道,你是否在等待文件描述符来调用 accept() 函数,还是做其他事情(信号处理,定时事件)。

此种情况惊群效应已经被解决。

epoll_create 在 fork 之后创建

epoll_create 在 fork 之前创建的话,所有进程共享一个 epoll 红黑数。
如果我们只需要处理 accept 事件的话,貌似世界一片美好了。但是 epoll 并不是只处理 accept 事件,accept 后续的读写事件都需要处理,还有定时或者信号事件。

当连接到来时,我们需要选择一个进程来 accept,这个时候,任何一个 accept 都是可以的。当连接建立以后,后续的读写事件,却与进程有了关联。一个请求与 a 进程建立连接后,后续的读写也应该由 a 进程来做。

当读写事件发生时,应该通知哪个进程呢?Epoll 并不知道,因此,事件有可能错误通知另一个进程,这是不对的。所以一般在每个进程(线程)里面会再次创建一个 epoll 事件循环机制,每个进程的读写事件只注册在自己进程的 epoll 种。

我们知道 epoll 对惊群效应的修复,是建立在共享在同一个 epoll 结构上的。epoll_create 在 fork 之后执行,每个进程有单独的 epoll 红黑树,等待队列,ready 事件列表。因此,惊群效应再次出现了。有时候唤醒所有进程,有时候唤醒部分进程,可能是因为事件已经被某些进程处理掉了,因此不用在通知另外还未通知到的进程了。

Nginx 解决方案之锁的设计

首先我们要知道在用户空间进程间锁实现的原理,起始原理很简单,就是能弄一个让所有进程共享的东西,比如 mmap 的内存,比如文件,然后通过这个东西来控制进程的互斥。

Nginx 中使用的锁是自己来实现的,这里锁的实现分为两种情况,一种是支持原子操作的情况,也就是由 NGX_HAVE_ATOMIC_OPS 这个宏来进行控制的,一种是不支持原子操作,这是是使用文件锁来实现。

锁结构体

如果支持原子操作,则我们可以直接使用 mmap,然后 lock 就保存 mmap 的内存区域的地址
如果不支持原子操作,则我们使用文件锁来实现,这里 fd 表示进程间共享的文件句柄,name 表示文件名

原子锁创建

原子锁获取

TryLock,它是非阻塞的,也就是说它会尝试的获得锁,如果没有获得的话,它会直接返回错误。
Lock,它也会尝试获得锁,而当没有获得他不会立即返回,而是开始进入循环然后不停的去获得锁,知道获得。不过 Nginx 这里还有用到一个技巧,就是每次都会让当前的进程放到 CPU 的运行队列的最后一位,也就是自动放弃 CPU。

原子锁实现
如果系统库支持的情况,此时直接调用OSAtomicCompareAndSwap32Barrier,即 CAS。

如果系统库不支持这个指令的话,Nginx 自己还用汇编实现了一个。

原子锁释放

Unlock 比较简单,和当前进程 id 比较,如果相等,就把 lock 改为 0,说明放弃这个锁。

#define ngx_shmtx_unlock(mtx) (void) ngx_atomic_cmp_set((mtx)->lock, ngx_pid, 0)  

Nginx 解决方案之惊群效应

变量分析

ngx_use_accept_mutex 这个变量,如果有这个变量,说明 Nginx 有必要使用 accept 互斥体,这个变量的初始化在 ngx_event_process_init 中。
ngx_accept_mutex_held 表示当前是否已经持有锁。
ngx_accept_mutex_delay 表示当获得锁失败后,再次去请求锁的间隔时间,这个时间可以在配置文件中设置的。

ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n / 8 - ngx_cycle->free_connection_n;

ngx_accept_disabled,这个变量是一个阈值,如果大于 0,说明当前的进程处理的连接过多。

是否使用锁

NGX_POST_EVENTS 标记,设置了这个标记就说明当 socket 有数据被唤醒时,我们并不会马上 accept 或者说读取,而是将这个事件保存起来,然后当我们释放锁之后,才会进行 accept 或者读取这个句柄。

如果没有设置 NGX_POST_EVENTS 标记的话,Nginx 会立即 Accept 或者读取句柄

定时器,这里如果 Nginx 没有获得锁,并不会马上再去获得锁,而是设置定时器,然后在 epoll 休眠(如果没有其他的东西唤醒)。此时如果有连接到达,当前休眠进程会被提前唤醒,然后立即 accept。否则,休眠 ngx_accept_mutex_delay时间,然后继续 tryLock。

获取锁来解决惊群

如上代码,当一个连接来的时候,此时每个进程的 epoll 事件列表里面都是有该 fd 的。抢到该连接的进程先释放锁,在 accept。没有抢到的进程把该 fd 从事件列表里面移除,不必再调用 accept,造成资源浪费。

同时由于锁的控制(以及获得锁的定时器),每个进程都能相对公平的 accept 句柄,也就是比较好的解决了子进程负载均衡。


文章分类: LinuxNginx
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