Nginx、Apache工作原理及Nginx为何比Apache高效

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Nginx 才短短几年，就拿下了 web 服务器大笔江山，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 0.7.14 + PHP 5.2.6 (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 0.7.14 + PHP 5.2.6 (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 0.7.14 + PHP 5.2.6 (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。

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。

4.2 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。

4.3 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。

4.4 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。

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。

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（Engine X），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。

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。

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：

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

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

epoll 模型：（nginx 使用）

epoll 带来了两个优势，大幅度提升了性能：

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

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

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。

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。

下面关于 Nginx 的文章您也可能喜欢，不妨参考下：

CentOS 7.2 下编译安装 PHP7.0.10+MySQL5.7.14+Nginx1.10.1  http://www.linuxidc.com/Linux/2016-09/134804.htm

Linux 下编译安装 Nginx 1.8.1 及配置 http://www.linuxidc.com/Linux/2017-02/140495.htm

CentOS 6.4 安装配置 Nginx+Pcre+php-fpm http://www.linuxidc.com/Linux/2013-08/88984.htm

CentOS 7.2 源码安装 Nginx http://www.linuxidc.com/Linux/2017-03/141246.htm

Nginx 的 500,502,504 错误解决方法 http://www.linuxidc.com/Linux/2015-03/115507.htm

Nginx 版本号修改隐藏及记录用户请求需要的时间  http://www.linuxidc.com/Linux/2017-02/141044.htm

CentOS 7 编译安装 Nginx1.10.2 脚本启动失败解决思路 http://www.linuxidc.com/Linux/2017-01/139794.htm

Nginx 的详细介绍：请点这里
Nginx 的下载地址：请点这里

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