nginx 全相联结构的引申

news2024/11/22 19:00:51

修改 nginx 纯属巧合，任务是将 reuseport 的支持换一种方式。目前 nginx 的方式是 master 创建 worker 数量个 reuseport listening socket，由 worker 继承。在这种实现方式下，效果是 “所有 worker 可以处理所有 listening socket”
这不就是典型的全相联结构吗？挺好，但因不符合我们的依赖模型，不得不将 socket 的创建移到每一个 worker 中，因此，每一个 worker 只能看到自己创建的 socket，这是一一映射结构，在服务器/消费者模型中显然没有全相联结构更 “好”(好字要额外解释)。

再次牵涉到多队列还是单队列(超市收银台倾向右边，银行大厅倾向左边，为什么？)：
在这里插入图片描述
至于组相联，介于二者间，在组内全相联，组间一一映射。

这些惯常知识很重要但不是本文的重点，本文先讲个历史，再说个理念。

我将 nginx 从全相联改成一一映射属实开历史倒车，因为最开始 nginx 引入对 reuseport 的支持时就采用了一一映射的方式，最初的 patch：Initial SO_REUSEPORT support

但最终采用了全相联结构：
Socket Sharding in NGINX Release 1.9.1
RE: [Patch] SO_REUSEPORT support from master process

nginx reuseport 经历了从一一映射到全相联的过程，我给改回去了。但在最初的 patch 中还有个细节，作者没谈但应该已意识到。

该 patch 为每一个 worker 创建了 worker 个 listening socket，但没有必要，且平添 socket 结构的维护开销：
在这里插入图片描述

于是我又改了一下，在 ngx_open_listening_sockets 里的 for 循环遍历 listening socket 的开头加入下语句：

if (ls[i].sockaddr->sa_family == AF_INET && 
    ls[i].type == SOCK_STREAM && 
    worker != -1 && ls[i].worker != (ngx_uint_t)worker) {
                continue;
}

ngx_configure_listening_sockets 同理，保持每一个 worker 仅持有一个 listening socket。

但这里是不是一个引入组相联的好契机呢？如：
在这里插入图片描述

我想是的，我要是编程编得好，应该能就这个点做一个类似 apache mem 的框架，把所有相联结构都引入，nginx 就成了 apache-like，并且，显然 nginx 牛叉的地方是异步 epoll(关于 epoll 机制，我曾写过一篇文章还不错：再谈Linux epoll惊群) 而不是 master/worker 模型，加入 mpm 岂不如虎添翼。

这引出一个理念。要分清什么才是资源。可落实到实际处理逻辑的硬件才是资源，软件只是为了易于管理资源，不是资源。这是一个反云原生的说辞，但正因为这样才有必要单独拿出来说，因为云原生的理念在抽象的道路上越走越远，我这里倒过来说。

容器不是资源，进程不是资源，线程不是资源，协程不是资源，socket 不是资源，它们只是 “虚拟层”，只有 CPU 核才是资源。是 CPU 在处理连接报文，而不是进程或线程在处理 socket。

将所有连接在所有 CPU 上调度，自然而然就是一个全相联结构。至于进程，线程，协程，socket 这些抽象层，其威力在工程，生产力和生态，而非性能，当你觉得事情错综复杂时，“加一个层解决”，但加一个层势必影响性能。

去年那篇 It’s Time to Replace TCP in the Datacenter 中，作者提到 TCP 不宜多核心发挥优势，TCP 明确串行处理，无法发挥并行优势。按上述理念理解，根因在于 TCP 也是一个抽象层。故，抽象不是解决问题的手段，而是问题产生的原因。

关于 TCP 的问题，回到本文第一幅图，看右边，TCP 是个一一映射结构的抽象。

要么把逻辑装进 task(各种 x 程)，托管给系统调度，要么自己调度，总之都是调度，不同的是，托管费省不了，task 内存开销，task 切换的 CPU 开销，无论创建多少 task，可同时运行的也不超过 CPU 核数(再次强调，task 不是资源，CPU，内存才是)，挂起的 task 就是纯消耗资源，比如 TCP 连接的 CPU 开销，不活跃长连接的内存开销。有人想直触 CPU，有人想自研传输协议，都一回事，绕开抽象层。

一路向下越过所有抽象层，一直触碰到实际硬件资源，就在那个层面上调度。反之，将会产生过度设计，用尽各种 “x 程”，将系统人为喂胖，典型的为了一碟醋包了一顿饺子。

回到 nginx。

即使 nginx worker 和连接报文全相联，还是有 gap，因为 worker 是一个进程抽象而不是 CPU 本身。进程的粒度是一条一直执行到睡眠等待的指令流，而 CPU 的粒度是指令，这是一个和 TCP 一样的问题。如果所有 worker 都睡眠在文件 IO 上，所有 CPU 都会 idle，即使这样这些 CPU 也无法处理到达 socket 的数据，因为没有任何进程在 socket 上等待。

解决方案似乎回到了传统 mpm，多创建几个进程，在其它进程等待其它事件时，总有一些进程等待 socket，但这无非是在利用统计学，代价也大：
在这里插入图片描述

CPU 的粒度为指令，理论上一个 worker 的粒度无限接近指令粒度就 OK，因此要为 worker 选择一个足够小的粒度，那就以 worker 的睡眠等待作为分割边界咯。以下是一个例子。

以 CPU 数量为依据创建数量固定的 worker，将 worker 分类，每类若干实例，保证每类 worker 只在一个点等待，比如第一类 worker 只等待文件 IO，第二类 worker 只等待 socket，第三类 worker 只处理数据等等，总之执行程足够短，足够小，就能最大化效能：
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