Nginx(八): 观进程锁的实现

　　前面的nginx系列讲解了nginx很多通用概念，流程，以及核心的http模块的一些实现。应该说大体上对nginx已经不再陌生和神秘。

　　今天我们不看全局，只看一个非常非常小的细节：nginx是多进程并发模型的应用，但为了网络请求的安全性，必须要使用到锁，那么这个进程锁如何实现呢？

1. nginx进程锁的作用

　　nginx是多进程并发模型应用，直白点就是：有多个worker都在监听网络请求，谁接收某个请求，那么后续的事务就由它来完成。如果没有锁的存在，那么就是这种场景，当一个请求被系统接入后，所以可以监听该端口的进程，就会同时去处理该事务。当然了，系统会避免这种糟糕事情的发生，但也就出现了所谓的惊群。（不知道说得对不对，大概是那么个意思吧）

　　所以，为了避免出现同一时刻，有许多进程监听，就应该该多个worker间有序地监听socket. 为了让多个worker有序，所以就有了本文要讲的进程锁的出现了，只有抢到锁的进程才可以进行网络请求的接入操作。

　　即如下过程：

// worker 核心事务框架
// ngx_event.c
void
ngx_process_events_and_timers(ngx_cycle_t *cycle)
{
    ngx_uint_t  flags;
    ngx_msec_t  timer, delta;

    if (ngx_timer_resolution) {
        timer = NGX_TIMER_INFINITE;
        flags = 0;

    } else {
        timer = ngx_event_find_timer();
        flags = NGX_UPDATE_TIME;

#if (NGX_WIN32)

        /* handle signals from master in case of network inactivity */

        if (timer == NGX_TIMER_INFINITE || timer > 500) {
            timer = 500;
        }

#endif
    }

    if (ngx_use_accept_mutex) {
        // 为了一定的公平性，避免反复争抢锁
        if (ngx_accept_disabled > 0) {
            ngx_accept_disabled--;

        } else {
            // 只有抢到锁的进程，进行 socket 的 accept() 操作
            // 其他worker则处理之前接入的请求，read/write操作
            if (ngx_trylock_accept_mutex(cycle) == NGX_ERROR) {
                return;
            }

            if (ngx_accept_mutex_held) {
                flags |= NGX_POST_EVENTS;

            } else {
                if (timer == NGX_TIMER_INFINITE
                    || timer > ngx_accept_mutex_delay)
                {
                    timer = ngx_accept_mutex_delay;
                }
            }
        }
    }
    // 其他核心事务处理
    if (!ngx_queue_empty(&ngx_posted_next_events)) {
        ngx_event_move_posted_next(cycle);
        timer = 0;
    }

    delta = ngx_current_msec;

    (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);
}
// 获取锁，并注册socket accept() 过程如下
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) {
            // 解锁操作
            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) {
            return NGX_ERROR;
        }

        ngx_accept_mutex_held = 0;
    }

    return NGX_OK;
}

　　其他的不必多说，核心即抢到锁的worker，才可以进行accept操作。而没有抢到锁的worker, 则要主动释放之前的accept()权力。从而达到，同一时刻，只有一个worker在处理accept事件。

2. 入门级锁使用

　　锁这种东西，一般都是编程语言自己定义好的接口，或者固定用法。

　　比如 java 中的 synchronized xxx, Lock 相关并发包锁如 CountDownLatch, CyclicBarrier, ReentrantLock, ReentrantReadWriteLock, Semaphore...

　　比如 python 中的 threading.Lock(), threading.RLock()...

　　比如 php 中的 flock()...

　　之所以说是入门级，是因为这都是些接口api, 你只要按照使用规范，调一下就可以了，无需更多知识。但要想用好各细节，则实际不简单。

3. nginx进程锁的实现

　　nginx因为是使用C语言编写的，所以肯定是更接近底层些的。能够通过它的实现，来看锁如何实现，应该能够让我们更能理解锁的深层次含义。

　　一般地，锁包含这么几个大方向：锁数据结构定义，上锁逻辑，解锁逻辑，以及一些通知机制，超时机制什么的。下面我们就其中几个方向，看下nginx 实现：

3.1. 锁的数据结构

　　首先要定义出锁有些什么变量，然后实例化一个值，共享给多进程使用。

// event/ngx_event.c
// 全局accept锁变量定义
ngx_shmtx_t           ngx_accept_mutex;
// 这个锁有一个
// atomic 使用 volatile 修饰实现
typedef volatile ngx_atomic_uint_t  ngx_atomic_t;
typedef struct {
#if (NGX_HAVE_ATOMIC_OPS)
    // 有使用原子更新变量实现锁，其背后是共享内存区域
    ngx_atomic_t  *lock;
#if (NGX_HAVE_POSIX_SEM)
    ngx_atomic_t  *wait;
    ngx_uint_t     semaphore;
    sem_t          sem;
#endif
#else
    // 有使用fd实现锁，fd的背后是一个文件实例
    ngx_fd_t       fd;
    u_char        *name;
#endif
    ngx_uint_t     spin;
} ngx_shmtx_t;
// 共享内存数据结构定义
typedef struct {
    u_char      *addr;
    size_t       size;
    ngx_str_t    name;
    ngx_log_t   *log;
    ngx_uint_t   exists;   /* unsigned  exists:1;  */
} ngx_shm_t;

3.2. 基于fd的上锁/解锁实现

　　有了锁实例，就可以对其进行上锁解锁了。nginx有两种锁实现，主要是基于平台的差异性决定的：基于文件或者基于共享内在实现。基于fd即基于文件的实现，这个还是有点重的操作。如下：

// ngx_shmtx.c
ngx_uint_t
ngx_shmtx_trylock(ngx_shmtx_t *mtx)
{
    ngx_err_t  err;

    err = ngx_trylock_fd(mtx->fd);

    if (err == 0) {
        return 1;
    }

    if (err == NGX_EAGAIN) {
        return 0;
    }

#if __osf__ /* Tru64 UNIX */

    if (err == NGX_EACCES) {
        return 0;
    }

#endif

    ngx_log_abort(err, ngx_trylock_fd_n " %s failed", mtx->name);

    return 0;
}
// core/ngx_shmtx.c
// 1. 上锁过程
ngx_err_t
ngx_trylock_fd(ngx_fd_t fd)
{
    struct flock  fl;

    ngx_memzero(&fl, sizeof(struct flock));
    fl.l_type = F_WRLCK;
    fl.l_whence = SEEK_SET;

    if (fcntl(fd, F_SETLK, &fl) == -1) {
        return ngx_errno;
    }

    return 0;
}
// os/unix/ngx_file.c
ngx_err_t
ngx_lock_fd(ngx_fd_t fd)
{
    struct flock  fl;

    ngx_memzero(&fl, sizeof(struct flock));
    fl.l_type = F_WRLCK;
    fl.l_whence = SEEK_SET;
    // 调用系统提供的上锁方法
    if (fcntl(fd, F_SETLKW, &fl) == -1) {
        return ngx_errno;
    }

    return 0;
}

// 2. 解锁实现
// core/ngx_shmtx.c
void
ngx_shmtx_unlock(ngx_shmtx_t *mtx)
{
    ngx_err_t  err;

    err = ngx_unlock_fd(mtx->fd);

    if (err == 0) {
        return;
    }

    ngx_log_abort(err, ngx_unlock_fd_n " %s failed", mtx->name);
}
// os/unix/ngx_file.c
ngx_err_t
ngx_unlock_fd(ngx_fd_t fd)
{
    struct flock  fl;

    ngx_memzero(&fl, sizeof(struct flock));
    fl.l_type = F_UNLCK;
    fl.l_whence = SEEK_SET;

    if (fcntl(fd, F_SETLK, &fl) == -1) {
        return  ngx_errno;
    }

    return 0;
}

　　重点就是 fcntl() 这个系统api的调用，无他。当然，站在一个旁观者角度来看，实际就是因为多进程对文件的操作是可见的，所以达到进程锁的目的。其中，tryLock 和 lock 存在一定的语义差异，即try时，会得到一些是否成功的标识，而直接进行lock时，则不能得到标识。一般会要求阻塞住请求。

3.3. nginx锁实例的初始化

　　也许在有些地方，一个锁实例的初始化，就是一个变量的简单赋值而已。但在nginx有些不同。首先，需要保证各worker能看到相同的实例或者相当的实例。因为worker是从master处fork()出来的进程，所以只要在master中实例化好的锁，必然可以保证各worker能拿到一样的值。那么，到底是不是只是这样呢？

// 共享锁的初始化，在ngx master 中进行，后fork()到worker进程
// event/ngx_event.c
static ngx_int_t
ngx_event_module_init(ngx_cycle_t *cycle)
{
    void              ***cf;
    u_char              *shared;
    size_t               size, cl;
    // 定义一段共享内存
    ngx_shm_t            shm;
    ngx_time_t          *tp;
    ngx_core_conf_t     *ccf;
    ngx_event_conf_t    *ecf;

    cf = ngx_get_conf(cycle->conf_ctx, ngx_events_module);
    ecf = (*cf)[ngx_event_core_module.ctx_index];

    if (!ngx_test_config && ngx_process <= NGX_PROCESS_MASTER) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_NOTICE, cycle->log, 0,
                      "using the \"%s\" event method", ecf->name);
    }

    ccf = (ngx_core_conf_t *) ngx_get_conf(cycle->conf_ctx, ngx_core_module);

    ngx_timer_resolution = ccf->timer_resolution;

#if !(NGX_WIN32)
    {
    ngx_int_t      limit;
    struct rlimit  rlmt;

    if (getrlimit(RLIMIT_NOFILE, &rlmt) == -1) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, cycle->log, ngx_errno,
                      "getrlimit(RLIMIT_NOFILE) failed, ignored");

    } else {
        if (ecf->connections > (ngx_uint_t) rlmt.rlim_cur
            && (ccf->rlimit_nofile == NGX_CONF_UNSET
                || ecf->connections > (ngx_uint_t) ccf->rlimit_nofile))
        {
            limit = (ccf->rlimit_nofile == NGX_CONF_UNSET) ?
                         (ngx_int_t) rlmt.rlim_cur : ccf->rlimit_nofile;

            ngx_log_error(NGX_LOG_WARN, cycle->log, 0,
                          "%ui worker_connections exceed "
                          "open file resource limit: %i",
                          ecf->connections, limit);
        }
    }
    }
#endif /* !(NGX_WIN32) */

    if (ccf->master == 0) {
        return NGX_OK;
    }

    if (ngx_accept_mutex_ptr) {
        return NGX_OK;
    }

    /* cl should be equal to or greater than cache line size */

    cl = 128;

    size = cl            /* ngx_accept_mutex */
           + cl          /* ngx_connection_counter */
           + cl;         /* ngx_temp_number */

#if (NGX_STAT_STUB)

    size += cl           /* ngx_stat_accepted */
           + cl          /* ngx_stat_handled */
           + cl          /* ngx_stat_requests */
           + cl          /* ngx_stat_active */
           + cl          /* ngx_stat_reading */
           + cl          /* ngx_stat_writing */
           + cl;         /* ngx_stat_waiting */

#endif

    shm.size = size;
    ngx_str_set(&shm.name, "nginx_shared_zone");
    shm.log = cycle->log;
    // 分配共享内存空间, 使用 mmap 实现
    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;
    // 基于共享文件或者内存赋值进程锁，从而实现多进程控制
    if (ngx_shmtx_create(&ngx_accept_mutex, (ngx_shmtx_sh_t *) shared,
                         cycle->lock_file.data)
        != NGX_OK)
    {
        return NGX_ERROR;
    }

    ngx_connection_counter = (ngx_atomic_t *) (shared + 1 * cl);

    (void) ngx_atomic_cmp_set(ngx_connection_counter, 0, 1);

    ngx_log_debug2(NGX_LOG_DEBUG_EVENT, cycle->log, 0,
                   "counter: %p, %uA",
                   ngx_connection_counter, *ngx_connection_counter);

    ngx_temp_number = (ngx_atomic_t *) (shared + 2 * cl);

    tp = ngx_timeofday();

    ngx_random_number = (tp->msec << 16) + ngx_pid;

#if (NGX_STAT_STUB)

    ngx_stat_accepted = (ngx_atomic_t *) (shared + 3 * cl);
    ngx_stat_handled = (ngx_atomic_t *) (shared + 4 * cl);
    ngx_stat_requests = (ngx_atomic_t *) (shared + 5 * cl);
    ngx_stat_active = (ngx_atomic_t *) (shared + 6 * cl);
    ngx_stat_reading = (ngx_atomic_t *) (shared + 7 * cl);
    ngx_stat_writing = (ngx_atomic_t *) (shared + 8 * cl);
    ngx_stat_waiting = (ngx_atomic_t *) (shared + 9 * cl);

#endif

    return NGX_OK;
}
// core/ngx_shmtx.c
// 1. 基于文件进程共享空间, 使用 fd
ngx_int_t
ngx_shmtx_create(ngx_shmtx_t *mtx, ngx_shmtx_sh_t *addr, u_char *name)
{
    // 由master进程创建，所以是进程安全的操作，各worker直接使用即可
    if (mtx->name) {
        // 如果已经创建好了，则 fd 已被赋值，不能创建了，直接共享fd即可
        // fd 的背后是一个文件实例
        if (ngx_strcmp(name, mtx->name) == 0) {
            mtx->name = name;
            return NGX_OK;
        }

        ngx_shmtx_destroy(mtx);
    }
    // 使用文件创建的方式锁共享
    mtx->fd = ngx_open_file(name, NGX_FILE_RDWR, NGX_FILE_CREATE_OR_OPEN,
                            NGX_FILE_DEFAULT_ACCESS);

    if (mtx->fd == NGX_INVALID_FILE) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_EMERG, ngx_cycle->log, ngx_errno,
                      ngx_open_file_n " \"%s\" failed", name);
        return NGX_ERROR;
    }
    // 创建完成即可删除，后续只基于该fd实例做锁操作
    if (ngx_delete_file(name) == NGX_FILE_ERROR) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, ngx_cycle->log, ngx_errno,
                      ngx_delete_file_n " \"%s\" failed", name);
    }

    mtx->name = name;

    return NGX_OK;
}

// 2. 基于共享内存的共享锁的创建
// ngx_shmtx.c
ngx_int_t
ngx_shmtx_create(ngx_shmtx_t *mtx, ngx_shmtx_sh_t *addr, u_char *name)
{
    mtx->lock = &addr->lock;

    if (mtx->spin == (ngx_uint_t) -1) {
        return NGX_OK;
    }

    mtx->spin = 2048;

#if (NGX_HAVE_POSIX_SEM)

    mtx->wait = &addr->wait;

    if (sem_init(&mtx->sem, 1, 0) == -1) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, ngx_cycle->log, ngx_errno,
                      "sem_init() failed");
    } else {
        mtx->semaphore = 1;
    }

#endif

    return NGX_OK;
}
// os/unix/ngx_shmem.c
ngx_int_t
ngx_shm_alloc(ngx_shm_t *shm)
{
    shm->addr = (u_char *) mmap(NULL, shm->size,
                                PROT_READ|PROT_WRITE,
                                MAP_ANON|MAP_SHARED, -1, 0);

    if (shm->addr == MAP_FAILED) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, shm->log, ngx_errno,
                      "mmap(MAP_ANON|MAP_SHARED, %uz) failed", shm->size);
        return NGX_ERROR;
    }

    return NGX_OK;
}

　　基于fd的锁实现，本质是基于其背后的文件系统的实现，因为文件系统是进程可见的，所以对于相同fd控制，就是对共同的锁的控制了。

3.4. 基于共享内存的上锁/解锁实现

　　所谓共享内存，实际就是一块公共的内存区域，它超出了进程的范围（受操作系统管理）。就是前面我们看到的mmap()的创建，就是一块共享内存。

// ngx_shmtx.c
ngx_uint_t
ngx_shmtx_trylock(ngx_shmtx_t *mtx)
{
    // 直接对共享内存区域的值进行改变
    // cas 改变成功即是上锁成功。
    return (*mtx->lock == 0 && ngx_atomic_cmp_set(mtx->lock, 0, ngx_pid));
}

// shm版本的解锁操作, cas 解析，带通知
void
ngx_shmtx_unlock(ngx_shmtx_t *mtx)
{
    if (mtx->spin != (ngx_uint_t) -1) {
        ngx_log_debug0(NGX_LOG_DEBUG_CORE, ngx_cycle->log, 0, "shmtx unlock");
    }

    if (ngx_atomic_cmp_set(mtx->lock, ngx_pid, 0)) {
        ngx_shmtx_wakeup(mtx);
    }
}
// 通知等待进程
static void
ngx_shmtx_wakeup(ngx_shmtx_t *mtx)
{
#if (NGX_HAVE_POSIX_SEM)
    ngx_atomic_uint_t  wait;

    if (!mtx->semaphore) {
        return;
    }

    for ( ;; ) {

        wait = *mtx->wait;

        if ((ngx_atomic_int_t) wait <= 0) {
            return;
        }

        if (ngx_atomic_cmp_set(mtx->wait, wait, wait - 1)) {
            break;
        }
    }

    ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_CORE, ngx_cycle->log, 0,
                   "shmtx wake %uA", wait);

    if (sem_post(&mtx->sem) == -1) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, ngx_cycle->log, ngx_errno,
                      "sem_post() failed while wake shmtx");
    }

#endif
}

　　共享内存版本的锁的实现，基本就是cas的对内存变量的设置。只是这个面向的内存，是共享区域的内存。

4. 说到底锁的含义是什么

　　见过了许多的锁，依然过不好这一关。

　　锁到底是什么呢？事实上，锁就是一个标识位。当有人看到这个标识位后，就主动停止操作，或者进行等等，从而使其看起来起到了锁的作用。这个标识位，可以设置在某个对象中，也可以为设置在某个全局值中，还可以借助于各种存在介质，比如文件，比如redis，比如zk 。 这都没有差别。因为问题关键不在存放在哪里，而在于如何安全地设置这个标识位。

　　要实现锁，一般都需要要一个强有力的底层含义保证，比如cpu层面的cas操作，应用级别的队列串行原子操作。。。
　　到于什么，内存锁，文件锁，高级锁，都是有各自的应用场景。而要选好各种锁，则变成了评价高低地关键。此时此刻，你应该能判断出来的！