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修改Nginx源碼實現worker進程隔離實現詳解_nginx

作者：挖坑的張師傅 ? 更新時間： 2022-12-01 編程語言

背景

最近我們線上網關替換為了 APISIX，也遇到了一些問題，有一個比較難解決的問題是 APISIX 的進程隔離問題。

APISIX 不同種類請求的互相影響

首先我們遇到的就是 APISIX Prometheus 插件在監控數據過多時影響正常業務接口響應的問題。當啟用 Prometheus 插件以后，可以通過 HTTP 接口獲取 APISIX 內部采集的監控信息然后展示到特定的看板中。

curl http://172.30.xxx.xxx:9091/apisix/prometheus/metrics

我們網關接入的業務系統非常繁雜，有 4000+ 路由，每次拉取 Prometheus 插件時，metrics 條數超過 50 萬條，大小超過 80M+，這部分信息需要在 lua 層拼裝發送，當請求時會造成處理此請求的 worker 進程 CPU 占用非常高，處理的時間超過 2s，導致此 worker 進程處理正常業務請求會有 2s+ 的延遲。

當時臨時想到的措施是修改 Prometheus 插件，減少采集發送的范圍和數量，先臨時繞過了此問題。經過對 Prometheus 插件采集信息的分析，采集的數據條數如下。

407171 apisix_http_latency_bucket
29150 apisix_http_latency_sum
29150 apisix_http_latency_count
20024 apisix_bandwidth
17707 apisix_http_status
  11 apisix_etcd_modify_indexes
   6 apisix_nginx_http_current_connections
   1 apisix_node_info

結合我們業務實際需要，去掉了部分信息，減少了部分延遲。

然后經 github issue 咨詢（github.com/apache/apis… ），發現 APISIX 在商業版本中有提供此功能。因為還是想直接使用開源版本，此問題也暫時可以繞過，就沒有繼續深究下去。

但是后面又遇到了一個問題，就是 Admin API 處理在業務峰值處理不及時。我們使用 Admin API 來進行版本切換的功能，在一次業務高峰期時，APISIX 負載較高，影響了 Admin 相關的接口，導致版本切換時偶發超時失敗。

這里的原因顯而易見，影響是雙向的：前面的 Prometheus 插件是 APISIX 內部請求影響了正常業務請求。這里的是反過來的，正常業務請求影響了 APISIX 內部的請求。因此把 APISIX 內部的請求和正常業務請求隔離開就顯得至關重要，于是花了一點時間實現了這個功能。

上述對應會生成如下的 nginx.conf 配置示例文件如下。

// 9091 端口處理 Prometheus 插件接口請求
server {
    listen 0.0.0.0:9091;
    access_log off;
    location / {
        content_by_lua_block {
            local prometheus = require("apisix.plugins.prometheus.exporter")
            prometheus.export_metrics()
        }
    }
}
// 9180 端口處理 admin 接口
server {
    listen 0.0.0.0:9180;
    location /apisix/admin {
        content_by_lua_block {
            apisix.http_admin()
        }
    }
}
// 正常處理 80 和 443 的業務請求
server {
    listen 0.0.0.0:80;
    listen 0.0.0.0:443 ssl;
    server_name _;
    location / {
        proxy_pass  $upstream_scheme://apisix_backend$upstream_uri;
    access_by_lua_block {
        apisix.http_access_phase()
    }
}

修改 Nginx 源碼實現進程隔離

對于 OpenResty 比較了解的同學應該知道，OpenResty 在 Nginx 的基礎上進行了擴展，增加了 privilege

privileged agent 特權進程不監聽任何端口，不對外提供任何服務，主要用于定時任務等。

我們需要做的是增加 1 個或者多個 woker 進程，專門處理 APISIX 內部的請求即可。

Nginx 采用多進程模式，master 進程會調用 bind、listen 監聽套接字。fork 函數創建的 worker 進程會復制這些 listen 狀態的 socket 句柄。

Nginx 源碼中創建 worker 子進程的偽代碼如下：

void
ngx_master_process_cycle(ngx_cycle_t *cycle) {
    ngx_setproctitle("master process");
    ngx_start_worker_processes()
        for (i = 0; i < n; i++) { // 根據 cpu 核心數創建子進程
            ngx_spawn_process(i, "worker process");
                pid = fork();
                ngx_worker_process_cycle()
                    ngx_setproctitle("worker process")
                    for(;;) { // worker 子進程的無限循環 
                        // ...
                    }
        }
    }
    for(;;) {
        // ... master 進程的無限循環 
    }
}

我們要做修改就是在 for 循環中多啟動 1 個或 N 個子進程，專門用來處理特定端口的請求。

這里的 demo 以啟動 1 個 worker process 為例，修改 ngx_start_worker_processes 的邏輯如下，多啟動一個 worker process，命令名為 "isolation process" 表示內部隔離進程。

static void
ngx_start_worker_processes(ngx_cycle_t *cycle, ngx_int_t n, ngx_int_t type)
{
    ngx_int_t  i;
    // ...
    for (i = 0; i < n + 1; i++) { // 這里將 n 改為了 n+1，多啟動一個進程
        if (i == 0) { // 將子進程組中的第一個作為隔離進程
            ngx_spawn_process(cycle, ngx_worker_process_cycle,
                              (void *) (intptr_t) i, "isolation process", type);
        } else {
            ngx_spawn_process(cycle, ngx_worker_process_cycle,
                              (void *) (intptr_t) i, "worker process", type);
        }
    }
    // ...
}

隨后在 ngx_worker_process_cycle 的邏輯對第 0 號 worker 做特殊處理，這里的 demo 使用 18080、18081、18082 作為隔離端口示意。

static void
ngx_worker_process_cycle(ngx_cycle_t *cycle, void *data)
{
    ngx_int_t worker = (intptr_t) data;
    int ports[3];
    ports[0] = 18080;
    ports[1] = 18081;
    ports[2] = 18082; 
    ngx_worker_process_init(cycle, worker);
    if (worker == 0) { // 處理 0 號 worker 
        ngx_setproctitle("isolation process");
        ngx_close_not_isolation_listening_sockets(cycle, ports, 3);
    } else { // 處理非 0 號 worker
        ngx_setproctitle("worker process");
        ngx_close_isolation_listening_sockets(cycle, ports, 3);
    }
}

這里新寫了兩個方法

  • ngx_close_not_isolation_listening_sockets：只保留隔離端口的監聽，取消其它端口監聽
  • ngx_close_isolation_listening_sockets：關閉隔離端口的監聽，只保留正常業務監聽端口，也就是處理正常業務

ngx_close_not_isolation_listening_sockets 精簡后的代碼如下：

// used in isolation process
void
ngx_close_not_isolation_listening_sockets(ngx_cycle_t *cycle, int isolation_ports[], int port_num)
{
    ngx_connection_t  *c;
    int port_match = 0;
    ngx_listening_t* ls = cycle->listening.elts;
    for (int i = 0; i < cycle->listening.nelts; i++) {
        c = ls[i].connection;
        // 從 sockaddr 結構體中獲取端口號
        in_port_t port = ngx_inet_get_port(ls[i].sockaddr) ;
        // 判斷當前端口號是否是需要隔離的端口
        int is_isolation_port = check_isolation_port(port, isolation_ports, port_num);
        // 如果不是隔離端口，則取消監聽事情的處理
        if (c && !is_isolation_port) {
            // 調用 epoll_ctl 移除事件監聽
            ngx_del_event(c->read, NGX_READ_EVENT, 0);
            ngx_free_connection(c);
            c->fd = (ngx_socket_t) -1;
        }
        if (!is_isolation_port) {
            port_match++;
            ngx_close_socket(ls[i].fd); // close 當前 fd
            ls[i].fd = (ngx_socket_t) -1;
        }
    }
    cycle->listening.nelts -= port_match;
}

對應的 ngx_close_isolation_listening_sockets 關閉所有的隔離端口，只保留正常業務端口監聽，簡化后的代碼如下。

void
ngx_close_isolation_listening_sockets(ngx_cycle_t *cycle, int isolation_ports[], int port_num)
{
    ngx_connection_t  *c;
    int port_match;
    port_match = 0;
    ngx_listening_t   * ls = cycle->listening.elts;
    for (int i = 0; i < cycle->listening.nelts; i++) {
        c = ls[i].connection;
        in_port_t port = ngx_inet_get_port(ls[i].sockaddr) ;
        int is_isolation_port = check_isolation_port(port, isolation_ports, port_num);
        // 如果是隔離端口，關閉監聽
        if (c && is_isolation_port) { 
            ngx_del_event(c->read, NGX_READ_EVENT, 0);
            ngx_free_connection(c);
            c->fd = (ngx_socket_t) -1;
        }
        if (is_isolation_port) {
            port_match++;   
            ngx_close_socket(ls[i].fd); // 關閉 fd
            ls[i].fd = (ngx_socket_t) -1;
        }
    }
    cle->listening.nelts -= port_match;
}

如此一來，我們就實現了 Nginx 基于端口的進程隔離。

效果驗證

這里我們使用 18080~18082 端口作為隔離端口驗證，其它端口作為正常業務端端口。為了模擬請求占用較高 CPU 的情況，這里我們用 lua 來計算多次 sqrt，以更好的驗證 Nginx 的 worker 負載均衡。

server {
        listen 18080; // 18081,18082 配置一樣
        server_name localhost;
        location / {
            content_by_lua_block {
                 local sum = 0;
                 for i = 1,10000000,1 do
                    sum = sum + math.sqrt(i)
                 end
                 ngx.say(sum)
            }
        }
}
server {
    listen 28080;
    server_name localhost;
    location / {
        content_by_lua_block {
             local sum = 0;
             for i = 1,10000000,1 do
                sum = sum + math.sqrt(i)
             end
             ngx.say(sum)
        }
    }
}

首先來記錄一下當前 worker 進程情況。

可以看到現在已經啟動了 1 個內部隔離 worker 進程（pid=3355），4 個普通 worker 進程（pid=3356~3359）。

首先我們可以看通過端口監聽來確定我們的改動是否生效。

可以看到隔離進程 3355 進程監聽了 18080、18081、18082，普通進程 3356 等進程監聽了 20880、20881 端口。

使用 ab 請求 18080 端口，看看是否只會把 3355 進程 CPU 跑滿。

ab -n 10000 -c 10 localhost:18080
top -p 3355,3356,3357,3358,3359

可以看到此時只有 3355 這個 isolation process 被跑滿。

接下來看看非隔離端口請求，是否只會跑滿其它四個 woker process。

ab -n 10000 -c 10 localhost:28080
top -p 3355,3356,3357,3358,3359

符合預期，只會跑滿 4 個普通 worker 進程（pid=3356~3359），此時 3355 的 cpu 使用率為 0。

到此，我們就通過修改 Nginx 源碼實現了特定基于端口號的進程隔離方案。此 demo 中的端口號是寫死的，我們實際使用的時候是通過 lua 代碼傳入的。

init_by_lua_block {
    local process = require "ngx.process"
    local ports = {18080, 18081, 18083}
    local ok, err = process.enable_isolation_process(ports)
    if not ok then
       ngx.log(ngx.ERR, "enable enable_isolation_process failed")
       return
    else
       ngx.log(ngx.ERR, "enable enable_isolation_process success")
    end
}

這里需要 lua 通過 ffi 傳入到 OpenResty 中，這里不是本文的重點，就不展開講述。

后記

這個方案有一點 hack，能比較好的解決當前我們遇到的問題，但是也是有成本的，需要維護自己的 OpenResty 代碼分支，喜歡折騰的同學或者實在需要此特性可以試試。

上述方案只是我對 Nginx 源碼的粗淺了解做的改動，如果有使用不當的地方歡迎跟我反饋。

原文鏈接：https://juejin.cn/post/7157991584326713352

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