Nginx作为一款开源的、高性能的HTTP服务器和反向代理服务器而闻名，本文基于nginx-1.15.0，将为读者简要介绍其HTTP处理流程。
通常nginx配置文件如下所示：
代码语言：javascript复制worker_processes 1;
events {
worker_connections 1024;
}
http{
access_log logs/access.log main;
server {
listen 80;
server_name example.com;
location ~ .php$ {
fastcgi_pass 127.0.0.1:9000;
}
}
}- Nginx采用master-worker编模式，master初始化配置，创建Socket并监听端口，启动并管理worker进程，worker进程负责接收客户端请求并提供服务；其中worker_processes配置的就是worker进程的数目；
- events指令块用于配置事件处理相关，比如worker_connections用于配置每个worker进程最大维护的socket链接数目；
- http指令块用于配置http请求处理相关，比如access_log用于配置access日志文件路径；
- server指令块用于配置virtual server，通常会在一台机器配置多个virtual server，监听不同端口号，映射到不同文件目录；比如listen可配置监听端口号；
- location指令块配置不同路径请求处理方式，比如proxy_pass可配置将请求按照http协议格式转发给上游，fastcgi_pass可配置将请求按照fastcgi协议转发给fpm处理。
Nginx高度模块化，每个模块实现某一具体功能，比如ngx_http_limit_req_module模块实现按请求速率限流功能，ngx_http_fastcgi_module模块实现fastcgi协议通信功能。每个模块都需要解析配置文件中相关配置，每个模块需要解析的所有配置都定义为ngx_command_t数组。
例如ngx_http_module模块，其ngx_command_t数定义如下：
代码语言：javascript复制struct ngx_command_s {
ngx_str_t name;
ngx_uint_t type;
char *(*set)(ngx_conf_t *cf, ngx_command_t *cmd, void *conf);
...
};
static ngx_command_t ngx_http_commands[] = {
{ ngx_string("http"),
NGX_MAIN_CONF|NGX_CONF_BLOCK|NGX_CONF_NOARGS,
ngx_http_block,
...
},
};- name指令名称，解析配置文件时按照名称能匹配查找；
- type指令类型，NGX_CONF_NOARGS标识该配置无参数，NGX_CONF_BLOCK该配置是一个配置块，NGX_MAIN_CONF表示配置可以出现在哪些位置（NGX_MAIN_CONF、NGX_HTTP_SRV_CONF、NGX_HTTP_LOC_CONF）；
- set指令处理函数；
初始化服务器
http指令块用于配置http请求处理相关，解析http指令的处理函数为ngx_http_block，实现如下：
代码语言：javascript复制static char * ngx_http_block(ngx_conf_t *cf, ngx_command_t *cmd, void *conf)
{
//解析main配置
//解析server配置
//解析location配置
//初始化HTTP处理流程所需的handler
//初始化listening
if (ngx_http_optimize_servers(cf, cmcf, cmcf->ports) != NGX_OK) {
return NGX_CONF_ERROR;
}
}函数ngx_http_block主要解析http块内部的main配置、server配置与location配置；同时会初始化HTTP处理流程所需的handler；以及初始化所有监听端口。
函数ngx_http_optimize_servers将所有配置的IP端口进一步解析，并存储在conf->cycle->listening字段，这是一个数组，后续操作会遍历此数组，创建socket并监听。
conf->cycle->listening数组元素类型为ngx_listening_t，创建该ngx_listening_t对象时，同时会设置其处理handler为函数ngx_http_init_connection，当接受到客户端链接请求时，会调用此handler。
那么什么时候启动监听呢？全局搜索关键字cycle->listening可以找到。main方法会调用ngx_init_cycle，其完成了服务器初始化的大部分工作，其中就包括启动监听（ngx_open_listening_sockets）：
代码语言：javascript复制ngx_int_t ngx_open_listening_sockets(ngx_cycle_t *cycle)
{
for (i = 0; i < cycle->listening.nelts; i ) {
s = ngx_socket(ls[i].sockaddr->sa_family, ls[i].type, 0);
bind(s, ls[i].sockaddr, ls[i].socklen);
listen(s, ls[i].backlog);
}
}假设nginx使用epoll处理所有socket事件，那么什么时候将监听事件添加到epoll呢？同样全局搜索关键字cycle->listening可以找到。ngx_event_core_module模块是事件处理核心模块，初始化此模块时会执行ngx_event_process_init函数，从而将监听事件添加到epoll：
代码语言：javascript复制static ngx_int_t ngx_event_process_init(ngx_cycle_t *cycle)
{
ls = cycle->listening.elts;
for (i = 0; i < cycle->listening.nelts; i ) {
//设置读事件处理handler
rev->handler = ngx_event_accept;
ngx_add_event(rev, NGX_READ_EVENT, 0)；
}
}注意到向epoll添加读事件时，设置该读事件处理函数为ngx_event_accept，即接收到客户端socket连接请求事件时会调用该处理函数。
HTTP请求解析
基础结构体
结构体ngx_connection_t存储socket连接相关信息；nginx预先创建若干个ngx_connection_t对象，存储在全局变量ngx_cycle->free_connections，称之为连接池；当新生成socket时，会尝试从连接池中获取空闲connection连接，如果获取失败，则会直接关闭此socket。
指令worker_connections用于配置连接池最大连接数目，配置在events指令块中，由ngx_event_core_module解析。
代码语言：javascript复制events {
use epoll;
worker_connections 60000;
}当nginx作为HTTP服务器时（从用户的角度，http 1.1协议下，浏览器默认使用两个并发连接），最大客户端数目maxClient=worker_processes X worker_connections/2；当nginx作为反向代理服务器时，最大客户端数目maxClient=worker_processes X worker_connections/4。其worker_processes为用户配置的worker进程数目。
结构体ngx_connection_t定义如下：
代码语言：javascript复制struct ngx_connection_s {
//空闲连接池中，data指向下一个连接，形成链表；取出来使用时，data指向请求结构体ngx_http_request_s
void *data;
//读写事件结构体
ngx_event_t *read;
ngx_event_t *write;
ngx_socket_t fd; //socket fd
ngx_recv_pt recv; //socket接收数据函数指针
ngx_send_pt send; //socket发送数据函数指针
ngx_buf_t *buffer; //输入缓冲区
struct sockaddr *sockaddr; //客户端地址
socklen_t socklen;
ngx_listening_t *listening; //监听的ngx_listening_t对象
struct sockaddr *local_sockaddr; //本地地址
socklen_t local_socklen;
…………
}这里需要重点关注几个字段：
- data：void类型为指针；当该链接空闲时，data指向下一个空闲链接，以此形成链表；当该链接被分配之后，data指向对应的请求结构体ngx_http_request_s；
- read和write：读写事件结构体，类型为ngx_event_t；事件结构体中需要重点关注handler字段，标识为事件处理函数；
- recv和send指向socket接收/发送数据函数;
结构体ngx_http_request_t存储整个HTTP请求处理流程所需的所有信息，字段非常多，这里只进行简要说明：
代码语言：javascript复制struct ngx_http_request_s {
//链接
ngx_connection_t *connection;
//读写事件处理handler
ngx_http_event_handler_pt read_event_handler;
ngx_http_event_handler_pt write_event_handler;
//请求头缓冲区
ngx_buf_t *header_in;
//解析后的请求头
ngx_http_headers_in_t headers_in;
//请求体结构体
ngx_http_request_body_t *request_body;
//请求行
ngx_str_t request_line;
//解析后的若干请求行
ngx_uint_t method;
ngx_uint_t http_version;
ngx_str_t uri;
ngx_str_t args;
…………
}- connection指向底层对应的ngx_connection_t链接对象；
- read_event_handler和write_event_handler指向HTTP请求读写事件处理函数；
- headers_in存储解析后的请求头；
- request_body请求体结构体；
- request_line接受到的请求行；
- method和http_version等为解析后的如干请求行；
请求行与请求体解析相对比较简单，这里重点讲述请求头的解析，解析后的请求头信息都存储在ngx_http_headers_in_t结构体中。
ngx_http_request.c文件中定义了所有的HTTP头部，存储在ngx_http_headers_in数组，数组的每个元素是一个ngx_http_header_t结构体，主要包含三个字段，头部名称、头部解析后字段存储在ngx_http_headers_in_t的偏移量，解析头部的处理函数。
代码语言：javascript复制ngx_http_header_t ngx_http_headers_in[] = {
{ ngx_string("Host"), offsetof(ngx_http_headers_in_t, host),
ngx_http_process_host },
{ ngx_string("Connection"), offsetof(ngx_http_headers_in_t, connection),
ngx_http_process_connection },
…………
}
typedef struct {
ngx_str_t name;
ngx_uint_t offset;
ngx_http_header_handler_pt handler;
} ngx_http_header_t;解析请求头时，只需从ngx_http_headers_in数组中查找请求头ngx_http_header_t对象，调用处理函数handler，存储到r->headers_in对应字段即可。以解析Connection头部为例，ngx_http_process_connection实现如下：
代码语言：javascript复制static ngx_int_t ngx_http_process_connection(ngx_http_request_t *r, ngx_table_elt_t *h, ngx_uint_t offset)
{
if (ngx_strcasestrn(h->value.data, "close", 5 - 1)) {
r->headers_in.connection_type = NGX_HTTP_CONNECTION_CLOSE;
} else if (ngx_strcasestrn(h->value.data, "keep-alive", 10 - 1)) {
r->headers_in.connection_type = NGX_HTTP_CONNECTION_KEEP_ALIVE;
}
return NGX_OK;
}输入参数offset在此处并没有什么作用。注意到第二个输入参数类型为ngx_table_elt_t，存储了当前请求头的键值对信息：
代码语言：javascript复制typedef struct {
ngx_uint_t hash; //请求头key的hash值
ngx_str_t key;
ngx_str_t value;
u_char *lowcase_key; //请求头key转为小写字符串（可以看到HTTP请求头解析时key不区分大小写）
} ngx_table_elt_t;再思考一个问题，从ngx_http_headers_in数组中查找请求头对应ngx_http_header_t对象时，需要遍历，每个元素都需要进行字符串比较，效率低下。因此nginx将ngx_http_headers_in数组转换为哈希表，哈希表的键即为请求头的key，方法ngx_http_init_headers_in_hash实现了数组到哈希表的转换，转换后的哈希表存储在cmcf->headers_in_hash字段。
基础结构体关系示意图如下所示：
解析HTTP请求
"初始化服务器"小节提到，在创建socket启动监听时，会添加可读事件到epoll，事件处理函数为ngx_event_accept，用于接收socket连接，分配connection连接，并调用ngx_listening_t对象的处理函数（ngx_http_init_connection）。
代码语言：javascript复制void ngx_event_accept(ngx_event_t *ev)
{
s = accept4(lc->fd, (struct sockaddr *) sa, &socklen, SOCK_NONBLOCK);
ngx_accept_disabled = ngx_cycle->connection_n / 8 - ngx_cycle->free_connection_n;
c = ngx_get_connection(s, ev->log);
ls->handler(c);
}- 客户端socket连接成功时，都需要分配connection连接，如果分配失败则会直接关闭此socket；
- 而每个worker进程连接池的最大连接数目是固定的，当不存在空闲连接时，此worker进程accept的所有socket都会被拒绝；
- 多个worker进程通过抢锁竞争是否注册监听端口的事件；而当ngx_accept_disabled大于0时，会直接放弃此次竞争，同时ngx_accept_disabled减1。
- 通过ngx_accept_disabled计算方式可以看到，当worker进程的空闲连接过少时，可以减少其抢锁成功的次数；
socket连接成功后，nginx会等待客户端发送HTTP请求，默认会有60秒的超时时间，即60秒内没有接收到客户端请求时，断开此连接，打印错误日志。函数ngx_http_init_connection用于设置读事件处理函数，以及超时定时器。
代码语言：javascript复制void ngx_http_init_connection(ngx_connection_t *c)
{
c->read = ngx_http_wait_request_handler;
c->write->handler = ngx_http_empty_handler;
ngx_add_timer(rev, c->listening->post_accept_timeout);
}全局搜索post_accept_timeout字段，可以查找到，该字段值可通过配置文件中的client_header_timeout修改（可在http配置块或者server配置块中设置）。
函数ngx_http_wait_request_handler为解析HTTP请求的入口函数，实现如下：
代码语言：javascript复制static void ngx_http_wait_request_handler(ngx_event_t *rev)
{
//读事件已经超时
if (rev->timedout) {
ngx_log_error(NGX_LOG_INFO, c->log, NGX_ETIMEDOUT, "client timed out");
ngx_http_close_connection(c);
return;
}
n = c->recv(c, b->last, size);
//创建请求对象ngx_http_request_t，HTTP请求整个处理过程都有用；
c->data = ngx_http_create_request(c);
//设置读事件处理函数（此次请求行可能没有读取完）
rev->handler = ngx_http_process_request_line;
ngx_http_process_request_line(rev);
}注意到当读事件超时时，nginx会直接关闭该链接；函数ngx_http_create_request创建并初始化ngx_http_request_t对象；解析请求行处理函数为ngx_http_process_request_line。
解析请求行与请求头的代码较为繁琐，重点在于读取socket数据，解析字符串，这里不做详述。HTTP请求解析过程主要函数调用如下图所示：
注意，解析完成请求行与请求头，nginx就开始处理HTTP请求，并没有等到解析完请求体再处理。处理请求入口为ngx_http_process_request。
HTTP请求处理阶段
HTTP请求处理的11个阶段
nginx将HTTP请求处理流程分为11个阶段，绝大多数HTTP模块都会将自己的handler添加到某个阶段（将handler添加到全局唯一的数组phases中），nginx处理HTTP请求时会挨个调用每个阶段的handler。需要注意的是其中有4个阶段不能添加自定义handler。11个阶段定义如下：
代码语言：javascript复制typedef enum {
NGX_HTTP_POST_READ_PHASE = 0,
NGX_HTTP_SERVER_REWRITE_PHASE, //server块中配置了rewrite指令，重写url
NGX_HTTP_FIND_CONFIG_PHASE, //查找匹配的location配置；不能自定义handler；
NGX_HTTP_REWRITE_PHASE, //location块中配置了rewrite指令，重写url
NGX_HTTP_POST_REWRITE_PHASE, //检查是否发生了url重写，如果有，重新回到FIND_CONFIG阶段；不能自定义handler；
NGX_HTTP_PREACCESS_PHASE, //访问控制，比如限流模块会注册handler到此阶段
NGX_HTTP_ACCESS_PHASE, //访问权限控制，比如基于ip黑白名单的权限控制，基于用户名密码的权限控制等
NGX_HTTP_POST_ACCESS_PHASE, //根据访问权限控制阶段做相应处理；不能自定义handler；
NGX_HTTP_TRY_FILES_PHASE, //只有配置了try_files指令，才会有此阶段；不能自定义handler；
NGX_HTTP_CONTENT_PHASE, //内容产生阶段，返回响应给客户端
NGX_HTTP_LOG_PHASE //日志记录
} ngx_http_phases;- NGX_HTTP_POST_READ_PHASE：第一个阶段，ngx_http_realip_module模块会注册handler到该阶段（nginx作为代理服务器时有用，后端以此获取客户端原始IP），而该模块默认不会开启，需要通过--with-http_realip_module启动；
- NGX_HTTP_SERVER_REWRITE_PHASE：server块中配置了rewrite指令时，该阶段会重写url；
- NGX_HTTP_FIND_CONFIG_PHASE：查找匹配的location配置；该阶段不能自定义handler；
- NGX_HTTP_REWRITE_PHASE：location块中配置了rewrite指令时，该阶段会重写url；
- NGX_HTTP_POST_REWRITE_PHASE：该阶段会检查是否发生了url重写，如果有，重新回到FIND_CONFIG阶段，否则直接进入下一个阶段；该阶段不能自定义handler；
- NGX_HTTP_PREACCESS_PHASE：访问控制，比如限流模块ngx_http_limit_req_module会注册handler到该阶段；
- NGX_HTTP_ACCESS_PHASE：访问权限控制，比如基于ip黑白名单的权限控制，基于用户名密码的权限控制等；
- NGX_HTTP_POST_ACCESS_PHASE：该阶段会根据访问权限控制阶段做相应处理，不能自定义handler；
- NGX_HTTP_TRY_FILES_PHASE：只有配置了try_files指令，才会有此阶段，不能自定义handler；
- NGX_HTTP_CONTENT_PHASE：内容产生阶段，返回响应给客户端；ngx_http_fastcgi_module模块就处于该阶段；
- NGX_HTTP_LOG_PHASE：该阶段会记录日志；
nginx使用结构体ngx_module_s表示一个模块，其中字段ctx，是一个指向模块上下文结构体的指针（上下文结构体的字段都是一些函数指针）；nginx的HTTP模块上下文结构体大多都有字段postconfiguration，负责注册本模块的handler到某个处理阶段。11个阶段在解析完成http配置块指令后初始化。
代码语言：javascript复制static char * ngx_http_block(ngx_conf_t *cf, ngx_command_t *cmd, void *conf)
{
//解析http配置块
//初始化11个阶段的phases数组，注意多个模块可能注册到同一个阶段，因此phases是一个二维数组
if (ngx_http_init_phases(cf, cmcf) != NGX_OK) {
return NGX_CONF_ERROR;
}
//遍历所有HTTP模块，注册handler
for (m = 0; ngx_modules[m]; m ) {
if (ngx_modules[m]->type != NGX_HTTP_MODULE) {
continue;
}
module = ngx_modules[m]->ctx;
if (module->postconfiguration) {
if (module->postconfiguration(cf) != NGX_OK) {
return NGX_CONF_ERROR;
}
}
}
//将二维数组转换为一维数组，从而遍历执行数组所有handler
if (ngx_http_init_phase_handlers(cf, cmcf) != NGX_OK) {
return NGX_CONF_ERROR;
}
}- 多个模块可能注册handler到同一个阶段，因此phases是一个二维数组；
- for循环遍历所有HTTP类型的模块，调用其postconfiguration函数，注册handler到相应阶段；
- ngx_http_init_phase_handlers函数会将二维数组phase转换为一维数组，后续遍历执行该数组所有handler；
- 以限流模块ngx_http_limit_req_module模块为例，postconfiguration方法简单实现如下：
static ngx_int_t ngx_http_limit_req_init(ngx_conf_t *cf)
{
h = ngx_array_push(&cmcf->phases[NGX_HTTP_PREACCESS_PHASE].handlers);
*h = ngx_http_limit_req_handler;
//ngx_http_limit_req_module模块的限流方法；nginx处理HTTP请求时，都会调用此方法判断应该继续执行还是拒绝请求
return NGX_OK;
}GDB调试，断点到ngx_http_block方法执行所有HTTP模块注册handler之后，打印phases数组
代码语言：javascript复制p cmcf->phases[*].handlers
p *(ngx_http_handler_pt*)cmcf->phases[*].handlers.elts11个阶段注册的handler如下图所示：
11个阶段初始化
上面提到HTTP的11个处理阶段handler存储在phases数组，但由于多个模块可能注册handler到同一个阶段，使得phases是一个二维数组，因此需要转换为一维数组，转换后存储在cmcf->phase_engine字段，phase_engine的类型为ngx_http_phase_engine_t，定义如下：
代码语言：javascript复制typedef struct {
ngx_http_phase_handler_t *handlers; //一维数组，存储所有handler
ngx_uint_t server_rewrite_index; //记录NGX_HTTP_SERVER_REWRITE_PHASE阶段handler的索引值
ngx_uint_t location_rewrite_index; //记录NGX_HTTP_REWRITE_PHASE阶段handler的索引值
} ngx_http_phase_engine_t;
struct ngx_http_phase_handler_t {
ngx_http_phase_handler_pt checker; //执行handler之前的校验函数
ngx_http_handler_pt handler;
ngx_uint_t next; //下一个待执行handler的索引（通过next实现handler跳转执行）
};
//cheker函数指针类型定义
typedef ngx_int_t (*ngx_http_phase_handler_pt)(ngx_http_request_t *r, ngx_http_phase_handler_t *ph);
//handler函数指针类型定义
typedef ngx_int_t (*ngx_http_handler_pt)(ngx_http_request_t *r);- handlers字段为存储所有handler的一维数组；
- server_rewrite_index字段记录NGX_HTTP_SERVER_REWRITE_PHASE阶段handler的索引值；
- location_rewrite_index字段记录NGX_HTTP_REWRITE_PHASE阶段handler的索引值；
- ngx_http_phase_handler_t结构体中的checker字段为执行handler之前的校验函数；next字段为下一个待执行handler的索引（通过next实现handler跳转执行）；
- 数组转换功能由函数ngx_http_init_phase_handlers实现，代码逻辑比较长但是相对简单，这里不做过多详述；
GDB打印出转换后的数组如下图所示，第一列是cheker字段，第二列是handler字段，箭头表示next跳转；图中有个返回的箭头，即NGX_HTTP_POST_REWRITE_PHASE阶段可能返回到NGX_HTTP_FIND_CONFIG_PHASE；原因在于只要NGX_HTTP_REWRITE_PHASE阶段产生了url重写，就需要重新查找匹配location。
处理HTTP请求
上面提到HTTP请求的处理入口函数是ngx_http_process_request，其主要调用ngx_http_core_run_phases实现11个阶段的执行流程；
ngx_http_core_run_phases遍历预先设置好的cmcf->phase_engine.handlers数组，调用其checker函数，逻辑如下：
代码语言：javascript复制void ngx_http_core_run_phases(ngx_http_request_t *r)
{
ph = cmcf->phase_engine.handlers;
//phase_handler初始为0，表示待处理handler的索引；cheker内部会根据ph->next字段修改phase_handler
while (ph[r->phase_handler].checker) {
rc = ph[r->phase_handler].checker(r, &ph[r->phase_handler]);
if (rc == NGX_OK) {
return;
}
}
}checker内部就是调用handler，并设置下一步要执行handler的索引；比如说ngx_http_core_generic_phase实现如下：
代码语言：javascript复制ngx_int_t ngx_http_core_generic_phase(ngx_http_request_t *r, ngx_http_phase_handler_t *ph)
{
ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_HTTP, r->connection->log, 0, "rewrite phase: %ui", r->phase_handler);
rc = ph->handler(r);
if (rc == NGX_OK) {
r->phase_handler = ph->next;
return NGX_AGAIN;
}
}内容产生阶段
内容产生阶段NGX_HTTP_CONTENT_PHASE是HTTP请求处理的第10个阶段，一般情况有3个模块注册handler到此阶段：ngx_http_static_module、ngx_http_autoindex_module和ngx_http_index_module。
但是当我们配置了proxy_pass和fastcgi_pass时，情况会有所不同。
使用proxy_pass配置上游时，ngx_http_proxy_module模块会设置其处理函数到配置类conf；使用fastcgi_pass配置时，ngx_http_fastcgi_module会设置其处理函数到配置类conf。例如：
代码语言：javascript复制static char * ngx_http_fastcgi_pass(ngx_conf_t *cf, ngx_command_t *cmd, void *conf)
{
ngx_http_core_loc_conf_t *clcf;
clcf = ngx_http_conf_get_module_loc_conf(cf, ngx_http_core_module);
clcf->handler = ngx_http_fastcgi_handler;
}阶段NGX_HTTP_FIND_CONFIG_PHASE查找匹配的location，并获取此ngx_http_core_loc_conf_t对象，将其handler赋值给ngx_http_request_t对象的content_handler字段（内容产生阶段处理函数）。
而在执行内容产生阶段的checker函数时，会检测执行content_handler指向的函数；查看ngx_http_core_content_phase函数实现（内容产生阶段的checker函数）：
代码语言：javascript复制ngx_int_t ngx_http_core_content_phase(ngx_http_request_t *r,
ngx_http_phase_handler_t *ph)
{
if (r->content_handler) { //如果请求对象的content_handler字段不为空，则调用
r->write_event_handler = ngx_http_request_empty_handler;
ngx_http_finalize_request(r, r->content_handler(r));
return NGX_OK;
}
ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_HTTP, r->connection->log, 0, "content phase: %ui", r->phase_handler);
rc = ph->handler(r); //否则执行内容产生阶段handler
}
