nginx平台初探(30%) — Nginx开发从入门到精通
request¶
这节我们讲request，在nginx中我们指的是http请求，具体到nginx中的数据结构是ngx_http_request_t。ngx_http_request_t是对一个http请求的封装。 我们知道，一个http请求，包含请求行、请求头、请求体、响应行、响应头、响应体。
http请求是典型的请求-响应类型的的网络协议，而http是文件协议，所以我们在分析请求行与请求头，以及输出响应行与响应头，往往是一行一行的进行处理。如果我们自己来写一个http服务器，通常在一个连接建立好后，客户端会发送请求过来。然后我们读取一行数据，分析出请求行中包含的method、uri、http_version信息。然后再一行一行处理请求头，并根据请求method与请求头的信息来决定是否有请求体以及请求体的长度，然后再去读取请求体。得到请求后，我们处理请求产生需要输出的数据，然后再生成响应行，响应头以及响应体。在将响应发送给客户端之后，一个完整的请求就处理完了。当然这是最简单的webserver的处理方式，其实nginx也是这样做的，只是有一些小小的区别，比如，当请求头读取完成后，就开始进行请求的处理了。nginx通过ngx_http_request_t来保存解析请求与输出响应相关的数据。
那接下来，简要讲讲nginx是如何处理一个完整的请求的。对于nginx来说，一个请求是从ngx_http_init_request开始的，在这个函数中，会设置读事件为ngx_http_process_request_line，也就是说，接下来的网络事件，会由ngx_http_process_request_line来执行。从ngx_http_process_request_line的函数名，我们可以看到，这就是来处理请求行的，正好与之前讲的，处理请求的第一件事就是处理请求行是一致的。通过ngx_http_read_request_header来读取请求数据。然后调用ngx_http_parse_request_line函数来解析请求行。nginx为提高效率，采用状态机来解析请求行，而且在进行method的比较时，没有直接使用字符串比较，而是将四个字符转换成一个整型，然后一次比较以减少cpu的指令数，这个前面有说过。很多人可能很清楚一个请求行包含请求的方法，uri，版本，却不知道其实在请求行中，也是可以包含有host的。比如一个请求GET http://www.taobao.com/uri HTTP/1.0这样一个请求行也是合法的，而且host是www.taobao.com，这个时候，nginx会忽略请求头中的host域，而以请求行中的这个为准来查找虚拟主机。另外，对于对于http0.9版来说，是不支持请求头的，所以这里也是要特别的处理。所以，在后面解析请求头时，协议版本都是1.0或1.1。整个请求行解析到的参数，会保存到ngx_http_request_t结构当中。
在解析完请求行后，nginx会设置读事件的handler为ngx_http_process_request_headers，然后后续的请求就在ngx_http_process_request_headers中进行读取与解析。ngx_http_process_request_headers函数用来读取请求头，跟请求行一样，还是调用ngx_http_read_request_header来读取请求头，调用ngx_http_parse_header_line来解析一行请求头，解析到的请求头会保存到ngx_http_request_t的域headers_in中，headers_in是一个链表结构，保存所有的请求头。而HTTP中有些请求是需要特别处理的，这些请求头与请求处理函数存放在一个映射表里面，即ngx_http_headers_in，在初始化时，会生成一个hash表，当每解析到一个请求头后，就会先在这个hash表中查找，如果有找到，则调用相应的处理函数来处理这个请求头。比如:Host头的处理函数是ngx_http_process_host。
当nginx解析到两个回车换行符时，就表示请求头的结束，此时就会调用ngx_http_process_request来处理请求了。ngx_http_process_request会设置当前的连接的读写事件处理函数为ngx_http_request_handler，然后再调用ngx_http_handler来真正开始处理一个完整的http请求。这里可能比较奇怪，读写事件处理函数都是ngx_http_request_handler，其实在这个函数中，会根据当前事件是读事件还是写事件，分别调用ngx_http_request_t中的read_event_handler或者是write_event_handler。由于此时，我们的请求头已经读取完成了，之前有说过，nginx的做法是先不读取请求body，所以这里面我们设置read_event_handler为ngx_http_block_reading，即不读取数据了。刚才说到，真正开始处理数据，是在ngx_http_handler这个函数里面，这个函数会设置write_event_handler为ngx_http_core_run_phases，并执行ngx_http_core_run_phases函数。ngx_http_core_run_phases这个函数将执行多阶段请求处理，nginx将一个http请求的处理分为多个阶段，那么这个函数就是执行这些阶段来产生数据。因为ngx_http_core_run_phases最后会产生数据，所以我们就很容易理解，为什么设置写事件的处理函数为ngx_http_core_run_phases了。在这里，我简要说明了一下函数的调用逻辑，我们需要明白最终是调用ngx_http_core_run_phases来处理请求，产生的响应头会放在ngx_http_request_t的headers_out中，这一部分内容，我会放在请求处理流程里面去讲。nginx的各种阶段会对请求进行处理，最后会调用filter来过滤数据，对数据进行加工，如truncked传输、gzip压缩等。这里的filter包括header filter与body filter，即对响应头或响应体进行处理。filter是一个链表结构，分别有header filter与body filter，先执行header filter中的所有filter，然后再执行body filter中的所有filter。在header filter中的最后一个filter，即ngx_http_header_filter，这个filter将会遍历所的有响应头，最后需要输出的响应头在一个连续的内存，然后调用ngx_http_write_filter进行输出。ngx_http_write_filter是body filter中的最后一个，所以nginx首先的body信息，在经过一系列的body filter之后，最后也会调用ngx_http_write_filter来进行输出(有图来说明)。
这里要注意的是，nginx会将整个请求头都放在一个buffer里面，这个buffer的大小通过配置项client_header_buffer_size来设置，如果用户的请求头太大，这个buffer装不下，那nginx就会重新分配一个新的更大的buffer来装请求头，这个大buffer可以通过large_client_header_buffers来设置，这个large_buffer这一组buffer，比如配置4 8k，就是表示有四个8k大小的buffer可以用。注意，为了保存请求行或请求头的完整性，一个完整的请求行或请求头，需要放在一个连续的内存里面，所以，一个完整的请求行或请求头，只会保存在一个buffer里面。这样，如果请求行大于一个buffer的大小，就会返回414错误，如果一个请求头大小大于一个buffer大小，就会返回400错误。在了解了这些参数的值，以及nginx实际的做法之后，在应用场景，我们就需要根据实际的需求来调整这些参数，来优化我们的程序了。
处理流程图：
以上这些，就是nginx中一个http请求的生命周期了。我们再看看与请求相关的一些概念吧。
keepalive¶
当然，在nginx中，对于http1.0与http1.1也是支持长连接的。什么是长连接呢？我们知道，http请求是某于TCP协议之上的，那么，当客户端在发起请求前，需要先与服务端建立TCP连接，而每一次的TCP连接是需要三次握手来确定的，如果客户端与服务端之间网络差一点，这三次交互消费的时间会比较多，而且三次交互也会带来网络流量。当然，当连接断开后，也会有四次的交互，当然对用户体验来说就不重要了。而http请求是请求应答式的，如果我们能知道每个请求头与响应体的长度，那么我们是可以在一个连接上面执行多个请求的，这就是所谓的长连接，但前提条件是我们先得确定请求头与响应体的长度。对于请求来说，如果当前请求需要有body，如POST请求，那么nginx就需要客户端在请求头中指定content-length来表明body的大小，否则返回400错误。也就是说，请求体的长度是确定的，那么响应体的长度呢？先来看看http协议中关于响应body长度的确定：
- 对于http1.0协议来说，如果响应头中有content-length头，则以content-length的长度就可以知道body的长度了，客户端在接收body时，就可以依照这个长度来接收数据，接收完后，就表示这个请求完成了。而如果没有content-length头，则客户端会一直接收数据，直到服务端主动断开连接，才表示body接收完了。
- 而对于http1.1协议来说，如果响应头中的Transfer-encoding为chunked传输，则表示body是流式输出，body会被分成多个块，每块的开始会标识出当前块的长度，此时，body不需要通过长度来指定。如果是非chunked传输，而且有content-length，则按照content-length来接收数据。否则，如果是非chunked，并且没有content-length，则客户端接收数据，直到服务端主动断开连接。
从上面，我们可以看到，除了http1.0不带content-length以及http1.1非chunked不带content-length外，body的长度是可知的。此时，当服务端在输出完body之后，会可以考虑使用长连接。能否使用长连接，也是有条件限制的。如果客户端的请求头中的connection为close，则表示客户端需要关掉长连接，如果为keep-alive，则客户端需要打开长连接，如果客户端的请求中没有connection这个头，那么根据协议，如果是http1.0，则默认为close，如果是http1.1，则默认为keep-alive。如果的结果为keepalive，那么，nginx在输出完响应体后，会设置当前连接的keepalive属性，然后再次等待客户端的下一次请求数据。当然，nginx不可能一直等待下去，如果客户端一直不发数据过来，岂不是一直占用这个连接？所以当nginx直接keepalive等待下一次的请求时，会有一个最大等待时间，而这个时间是通过选项keepalive_timeout来配置的，如果配置为0，则表示关掉keepalive，此时，http版本无论是1.1还是1.0，客户端的connection不管是close还是keepalive，都会强制为close。
如果服务端最后决定的是keepalive打开，那么在响应的http头里面，也会包含有connection，其值是”Keep-Alive”，否则就是”Close”。如果connection值为close，那么在nginx响应完数据后，会主动关掉连接。所以，对于请求量比较大的nginx来说，关掉keepalive最后会产生比较多的time-wait状态的socket。一般来说，当客户端的一次访问，需要多次访问同一个server时，打开keepalive的优势非常大，比如图片服务器，通常一个网页会包含很多个图片。打开keepalive也会大量减少time-wait的数量。
pipe¶
在http1.1中，引入了一种新的特性，即pipeline。那么什么是pipeling呢？pipeling其实就是流水线作业，它可以看作为keepalive的一种升华，因为pipeling也是基于长连接的，目的就是利用一个连接作多次请求。对之前的keepalive来说，如果客户端要提交多个请求，那么第二个请求，必须要等到第一个请求的响应接收完全后，才能发起，也就是说，请求是串行进行的，一个请求接一个请求。注意，一个完整的请求，包括发送请求，处理请求，响应请求。而对pipeline来说，客户端不必等到第一个请求处理完后，就可以马上发起第二个请求。我们知道，tcp连接是全双工的，发送与接收可以同时进行，所以，我们可以将多个请求头依次发送出去，在服务端依次处理，客户端再依次接收，这样就多个请求就是同时进行的了。nginx是直接支持pipeling的，但是，nginx对pipeling中的多个请求的处理却不是并行的，依然是一个请求接一个请求的处理，只是在处理第一个请求的时候，客户端就可以发起第二个请求。这样，nginx利用pipeline减少了处理完一个请求后，等待第二个请求的请求头数据的时间。其实nginx的做法很简单，前面说到，nginx在读取数据时，会将读取的数据放到一个buffer里面，所以，如果nginx在处理完前一个请求后，如果发现buffer里面还有数据，就认为剩下的数据是下一个请求的开始，然后就接下来处理下一个请求，否则就设置keepalive。
lingering_close¶
lingering_close，字面意思就是延迟关闭，也就是说，当nginx要关闭连接时，并非立即关闭连接，而是再等待一段时间后才真正关掉连接。为什么要这样呢？我们先来看看这样一个场景。nginx在接收客户端的请求时，可能由于客户端或服务端出错了，要立即响应错误信息给客户端，而nginx在响应错误信息后，大分部情况下是需要关闭当前连接。如果客户端正在发送数据，或数据还没有到达服务端，服务端就将连接关掉了。那么，客户端发送的数据会收到RST包，此时，客户端对于接收到的服务端的数据，将不会发送ACK，也就是说，客户端将不会拿到服务端发送过来的错误信息数据。那客户端肯定会想，这服务器好霸道，动不动就reset我的连接，连个错误信息都没有。
在上面这个场景中，我们可以看到，关键点是服务端给客户端发送了RST包，导致自己发送的数据在客户端忽略掉了。所以，解决问题的重点是，让服务端别发RST包。再想想，我们发送RST是因为我们关掉了连接，关掉连接是因为我们不想再处理此连接了，也不会有任何数据产生了。对于全双工的TCP连接来说，我们只需要关掉写就行了，读可以继续进行，我们只需要丢掉读到的任何数据就行了，这样的话，当我们关掉连接后，客户端再发过来的数据，就不会再收到RST了。当然最终我们还是需要关掉这个读端的，所以我们会设置一个超时时间，在这个时间过后，就关掉读，客户端再发送数据来就不管了，作为服务端我会认为，都这么长时间了，发给你的错误信息也应该读到了，再慢就不关我事了，要怪就怪你RP不好了。当然，正常的客户端，在读取到数据后，会关掉连接，此时服务端就会在超时时间内关掉读端。这些正是lingering_close所做的事情。协议栈提供 SO_LINGER 这个选项，它的一种配置情况就是来处理lingering_close的情况的，不过nginx是自己实现的lingering_close。lingering_close存在的意义就是来读取剩下的客户端发来的数据，所以nginx会有一个读超时时间，通过lingering_timeout选项来设置，如果在lingering_timeout时间内还没有收到数据，则直接关掉连接。nginx还支持设置一个总的读取时间，通过lingering_time来设置，这个时间也就是nginx在关闭写之后，保留socket的时间，客户端需要在这个时间内发送完所有的数据，否则nginx在这个时间过后，会直接关掉连接。当然，nginx是支持配置是否打开lingering_close选项的，通过lingering_close选项来配置。
那么，我们在实际应用中，是否应该打开lingering_close呢？这个就没有固定的推荐值了，如Maxim Dounin所说，lingering_close的主要作用是保持更好的客户端兼容性，但是却需要消耗更多的额外资源（比如连接会一直占着）。
这节，我们介绍了nginx中，连接与请求的基本概念，下节，我们讲基本的数据结构。
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