accept_mutex与性能的关系 (nginx)

注：运行环境CentOS 6+

 

背景

     在对启动了20个worker的nginx进行压力测试的时候发现：如果把配置文件中event配置块中的accept_mutex开关打开（1.11.3版本之前默认开），就会出现worker压力不均，少量的worker的cpu利用率达到了98%，大部分的worker的压力只有1%左右；如果把accept_mutex关掉，所有的worker的压力差别就不大，而且QPS会有大幅提升；

 

分析过程

1. nginx的 1(master)+N(worker) 多进程模型：master在启动过程中负责读取nginx.conf中配置的监听端口，然后加入到一个cycle->listening数组中。
2. init_cycle函数中会调用init_module函数，init_module函数会调用所有注册模块的module_init函数完成相关模块所需资源的申请以及其他一些工作；其中event模块的module_init函数申请一块共享内存用于存储accept_mutex锁信息以及连接数信息

   ////////////   nginx/src/event/ngx_event.c   ///////
   
       shm.size = size;
       shm.name.len = sizeof("nginx_shared_zone") - 1;
       shm.name.data = (u_char *) "nginx_shared_zone";
       shm.log = cycle->log;
   
       if (ngx_shm_alloc(&shm) != NGX_OK) {
           return NGX_ERROR;
       }
   
       shared = shm.addr;
   
       ngx_accept_mutex_ptr = (ngx_atomic_t *) shared;
       ngx_accept_mutex.spin = (ngx_uint_t) -1;
   
       if (ngx_shmtx_create(&ngx_accept_mutex, (ngx_shmtx_sh_t *) shared,
                            cycle->lock_file.data)
           != NGX_OK)
       {
           return NGX_ERROR;
       }
   

     所有的worker进程均是由master进程通过fork() 函数启动的，所以所有的worker进程也就继承了master进程所有打开的文件描述符（包括之前创建的共享内存的fd）以及变量数据（这其中就包括之前创建的accept_mutex锁）。worker启动的过程中会调用各个模块的process_init函数，其中event模块的process_init函数中就会将master配置好的listening数组加入到epoll监听的events中，这样初始阶段所有的worker的epoll监听列表中都包含listening数组中的fd。

////////////   nginx/src/event/ngx_event.c   ///////

    /* for each listening socket */

    ls = cycle->listening.elts;
    for (i = 0; i < cycle->listening.nelts; i++) {

#if (NGX_HAVE_REUSEPORT)
        if (ls[i].reuseport && ls[i].worker != ngx_worker) {
            continue;
        }
#endif

        c = ngx_get_connection(ls[i].fd, cycle->log);

        if (c == NULL) {
            return NGX_ERROR;
        }

        c->type = ls[i].type;
        c->log = &ls[i].log;

        c->listening = &ls[i];
        ls[i].connection = c;

        rev = c->read;

        rev->log = c->log;
        rev->accept = 1;
        ...............

     当各个worker实际运行时，就会执行ngx_process_events_and_timers函数，这个函数会获取accept_mutex锁，同时所有的事件也会增加一个NGX_POST_EVENTS标识，其他获取不到的锁的worker就会将listening数组中fd从epoll监听列表中移除，这样下次listenling数组发生新的连接时，只有持有accept_mutex的worker才会响应。

////////////   nginx/src/event/ngx_event.c   ///////

     if (ngx_use_accept_mutex) {
        if (ngx_accept_disabled > 0) {
            ngx_accept_disabled--;

        } else {
            if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {
                return;
            }

            if (ngx_accept_mutex_held) {
                flags |= NGX_POST_EVENTS;          //增加NGX_POST_EVENTS标识

            } else {
                if (timer == NGX_TIMER_INFINITE
                    || timer > ngx_accept_mutex_delay)
                {
                    timer = ngx_accept_mutex_delay;
                }
            }
        }
    }

////////////////////////
ngx_int_t
ngx_trylock_accept_mutex(ngx_cycle_t *cycle)
{
    if (ngx_shmtx_trylock(&ngx_accept_mutex)) {

        ngx_log_debug0(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0,
                       "accept mutex locked");

        if (ngx_accept_mutex_held && ngx_accept_events == 0) {
            return NGX_OK;
        }

        if (ngx_enable_accept_events(cycle) == NGX_ERROR) {     //将cycle->listening加入到当前worker进程的epoll
            ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
            return NGX_ERROR;
        }

        ngx_accept_events = 0;
        ngx_accept_mutex_held = 1;

        return NGX_OK;
    }

    ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0,
                   "accept mutex lock failed: %ui", ngx_accept_mutex_held);

    if (ngx_accept_mutex_held) {
        if (ngx_disable_accept_events(cycle, 0) == NGX_ERROR) {     //将cycle->listening从当前worker进程的epoll移除
            return NGX_ERROR;
        }

        ngx_accept_mutex_held = 0;
    }

    return NGX_OK;
}

 

     对于持有accept_mutex锁的worker进程，会将epoll返回的fd放到队列中，尽可能的从epoll中接受新连接。当不持有accept_mutex 锁时在对队列中的这些fd进行处理。

/////////////////  nginx/src/event/modules/ngx_epoll_module.c  //////////

    if (flags & NGX_POST_EVENTS) {
                queue = rev->accept ? &ngx_posted_accept_events
                                    : &ngx_posted_events;

                ngx_post_event(rev, queue);

            } else {
                rev->handler(rev);
            }

 

     worker每次处理从epoll中读取新连接结束后，就会调用accept处理新建连接，并调用新连接的异步回掉函数进行处理，在处理新建连接的同时会实时统计1/8 * worker_connection - free_connecttion 的差值ngx_accept_disabled 。处理accept新连接结束后，就会释放accept_mutex锁，然后在去处理一些普通的连接请求。worker的下次cycle，会首先判断ngx_accept_disabled的值，如果大于0说明该worker当前处理连接数大于总连接数的7/8，不再参与accept_mutex的竞争。

////////////    nginx/src/event/ngx_event.c ///////////

    (void) ngx_process_events(cycle, timer, flags);

    delta = ngx_current_msec - delta;

    ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0,
                   "timer delta: %M", delta);

    ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_accept_events);

    if (ngx_accept_mutex_held) {
        ngx_shmtx_unlock(&ngx_accept_mutex);
    }

    if (delta) {
        ngx_event_expire_timers();
    }

    ngx_event_process_posted(cycle, &ngx_posted_events);

 

结论

1. 上述分析的主要是accept_mutex打开的情况。对于不打开的情况，比较简单，所有worker的epoll都会监听listening数组中的所有fd，所以一旦有新连接过来，就会出现worker“抢夺资源“的情况。对于分布式的大量短链接来讲，打开accept_mutex选项较好，避免了worker争夺资源造成的上下文切换以及try_lock的锁开销。但是对于传输大量数据的tcp长链接来讲，打开accept_mutex就会导致压力集中在某几个worker上，特别是将worker_connection值设置过大的时候，影响更加明显。因此对于accept_mutex开关的使用，根据实际情况考虑，不可一概而论。
2. 根据分析我们的压测程序，发现是采用的长tcp连接的方式，然后调用http请求；而且worker_connection也比较大，这样就出现了accept_mutex打开worker负载不均造成QPS下降的问题。
3. 目前新版的Linux内核中增加了EPOLLEXCLUSIVE选项，nginx从1.11.3版本之后也增加了对NGX_EXCLUSIVE_EVENT选项的支持，这样就可以避免多worker的epoll出现的惊群效应，从此之后accept_mutex从默认的on变成了默认off。