相對于Apache的同步IO模型，Nginx由于采用了NIO的緣故，性能上碾壓前者。Nginx是輕量級的，占用的系統(tǒng)資源更少，天然支持高并發(fā)。

今天我們就簡單的討論一下nginx的線程模型。注意不是進程模型哦。

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nginx的IO模型，大家應(yīng)該都有所了解。簡單而言，就是一個master進程和多個worker進程(進程數(shù)由配置決定);master進程負責(zé)accept請求并隊列化，最后轉(zhuǎn)發(fā)給worker進程并由其進行請求處理和響應(yīng)的整個過程。

nginx是以多進程模式運行的。nginx在1.7.11版本提供了多線程特性(multi-threading)，不過這個多線程僅用在aio模型中對本地文件的操作上，出發(fā)點就是以非阻塞模式，來提高文件IO的效率和并發(fā)能力。

所以這個多線程，并不是nginx通過多線程的方式處理proxy request(這部分是通過epoll模式)，而是用來處理本地的一些靜態(tài)文件。

這里涉及到幾個基本指令：sendfile、aio和directio，它們均與本地文件的操作有關(guān)，接下來我們分別看看它的意義。

sendfile

這個指令與系統(tǒng)函數(shù)sendfile()具有相同的語義，sendfile的目的就是提高本地文件通過socket發(fā)送的效率。官方的博客介紹了如何利用nginx 線程池aio，實現(xiàn)9倍的性能。

它還有一個比較好記的名稱，叫做零拷貝。那與傳統(tǒng)的文件讀取然后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，有什么區(qū)別呢?

磁盤、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器、內(nèi)存是三種不同的傳輸介質(zhì)，如果從本地讀取一個文件并通過socket發(fā)送出去，通常情況下是進過如下幾個步驟：

• 磁盤驅(qū)動器從根據(jù)CPU的調(diào)度，從磁盤讀取一定長度(chunk)的字節(jié)數(shù)據(jù)
• 字節(jié)數(shù)據(jù)copy到內(nèi)核內(nèi)存中
• 將內(nèi)核內(nèi)存中的數(shù)據(jù)copy到進程工作區(qū)內(nèi)存
• 進程通過socket將數(shù)據(jù)copy到網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器緩存， 并通過相應(yīng)的傳輸協(xié)議發(fā)送出去。

可以看到，數(shù)據(jù)的發(fā)送過程涉及到多次copy，這受限于計算機系統(tǒng)的設(shè)計問題。

sendfile的主要出發(fā)點，就是要減少數(shù)據(jù)的copy以提高發(fā)送效率，sendfile是linux系統(tǒng)級的調(diào)用，socket可以通過DMA(直接內(nèi)存訪問)方式直接訪問文件數(shù)據(jù)，并通過傳輸協(xié)議發(fā)送，減少了2次數(shù)據(jù)copy(磁盤到內(nèi)核，內(nèi)核到工作區(qū))。

sendfile_max_chunk參數(shù)用于限定每次sendfile()調(diào)用發(fā)送的最大數(shù)據(jù)尺寸，如果不限制大小的話，將會獨占整個worker進程，默認為“無限制”。這也太霸道了。

對于nginx而言，代理靜態(tài)本地的靜態(tài)文件資源(通常是小文件)將是非常高效的，建議對一些靜態(tài)文件比如html、圖片等，開啟此參數(shù)。

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

directio

這個指令用于開啟對O_DIRECT標記(BSD，linux)的使用，對應(yīng)directio()這個系統(tǒng)調(diào)用。

此參數(shù)是針對大文件而設(shè)定的，sendfile針對的是小文件。通過directio可以指定限定的尺寸大小，對于超過此size的文件，將會使用directio(而不再使用sendfile)。

根據(jù)directio的設(shè)計初衷，它具備sendfile的基本原理，只是不使用內(nèi)核cache，而是直接使用DMA，而且使用之后內(nèi)存cache(頁對齊部分)也將被釋放。

因此directio通常適用于大文件讀取，而且通常讀取頻率很低。因為對于高頻的讀取，它并不能提高效率(因為它不會重用cache，而是每次都DMA)。由于存在性能權(quán)衡問題，此參數(shù)默認為off。

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

aio

談到aio模型，其實語義也基本相同，就是異步文件IO，nginx默認關(guān)閉此特性，它需要在高版本的linux平臺上才支持(2.6.22+)。

在linux上，directio只能讀取基于512字節(jié)邊界對齊的blocks，文件結(jié)束的那些未對齊的block將使用阻塞模式讀取。

同樣，如果文件在開頭沒有對齊，整個文件都將阻塞式讀取。這里所謂的對齊，就是文件數(shù)據(jù)在內(nèi)存頁中的cache情況。

當(dāng)aio和sendfile都開啟時，將會對那些size大于directio設(shè)定值的文件使用aio機制：即當(dāng)小于directio設(shè)定值的文件將直接使用sendfile(aio不參與)。

aio，簡單而言，就是使用多線程異步模式讀取較大的文件，以提高IO效率，但是事實上可能并沒有任何提高。因為大文件的讀取，并不能使用cache、而且本身也是耗時的，即使是多線程，對于request的等待時間也是無法預(yù)估的，特別是并發(fā)請求較高的時候。但是aio能夠提高IO的并發(fā)能力，這個是確定的。

默認情況下，多線程模式是關(guān)閉的，我們需要通過--with-threads配置來開啟，此特性盡在支持epoll、kqueue的平臺上兼容。對于線程池的設(shè)置，我們可以通過thread_pool來聲明，并在aio指令中指定。

我們的配置文件近一步豐富了一些。

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

當(dāng)線程池中所有的線程都處于busy狀態(tài)，那么新的task請求將會加入到等待隊列。我們可以在thread_pool中使用max_queue參數(shù)來指定隊列的大小，默認隊列大小為65536，當(dāng)隊列已滿后續(xù)的請求將會拋出error。

END

nginx官方宣稱使用多線程模式，在aio讀取文件場景下，性能有9倍的提升，但我還是對這個測試具有一定懷疑態(tài)度。

多線程 + aio在一定程度的確可以提高文件IO的讀取性能，但是對于大文件而言，這似乎并沒有想象的那么優(yōu)秀。這受制于linux平臺底層的本身特性，除非nginx自己對文件cache做了額外的操作。

到目前為止，xjjdog仍有以下建議(供參考)：

• 對于小文件的靜態(tài)代理，我們應(yīng)該開啟sendfile，這對性能的提升是顯著的。
• 對于大文件讀取(低頻)，我們可以嘗試開啟aio、directio，在提升并發(fā)能力的前提下，關(guān)注request的實際響應(yīng)效率;既然官方推薦這么用，我們可以報以嘗試的態(tài)度。
• 對于高頻大文件讀取，aio、directio的性能或許提升并不顯著，但應(yīng)該不會降低性能。