深入剖析nginx时间缓存
本文适合对nginx实现原理比较感兴趣的同学阅读，需要具备一定的服务端编程知识。
一、背景
在服务器开发领域，时间的准确度关系到系统能否正常运行，尤其是当系统中存在超时事件需要处理时。但是系统时间的获取需要一次昂贵的系统调用，作为一款成熟的服务器软件，Nginx是如何优化这部分的性能开销？
二、时间缓存
接触过系统设计的同学都知道，对于频繁的数据获取，在数据未变化的情形下，可以通过增加缓存来优化性能，因为缓存的访问速度远高于源数据的访问速度。这样的例子有很多，比如CPU设计有二级缓存，在传统的database基础上有了我们今天的redis、memcache等nosql。对于系统时间也一样，既然获取系统时间开销较大，可以尝试着将获取到的时间缓存起来，需要时直接从缓存中取就可以了。但与此同时，也引入了缓存时间与实际时间不一致的可能，下面看看Nginx是如何解决这一问题。
三、设计与实现
Nginx时间缓存设计
如上图所示，Nginx时间缓存包括时间读取和时间写入者，当需要更新时间时，nginx调用gettimeofday系统调用获取时间，然后更新缓存。需要获取时间的代码直接从time cache中取出即可。
这里又产生了新的问题，具体包括：
读写并发，即读和写同时操作时间缓存会造成获取的时间混乱。
多写并发，多个执行体同时更新时间缓存，同样造成时间混乱。
而常见的解决互斥的方案包括：
加锁保证数据串行化
无锁化设计
像Nginx这样对于性能有着极致追求的server来说，自然不会使用系统自带的锁机制。其实现的ngx_lock和ngx_unlock的背后都是无锁化的原子操作。
对于多写并发，nginx在ngx_time_update函数中通过全局的ngx_time_lock进行互斥，确保同一时刻只会存在一个执行体更新时间缓存。
对于读写并发，nginx设计了NGX_TIME_SLOTS个slot，用于隔离读写操作的时间缓存。同时引入时间缓存指针，原子地更新当前缓存的指向位置。
Nginx时间缓存实现
下面看具体实现代码(以nginx-1.13.1为例src/core/ngx_times.c)：
void ngx_time_update(void)
{
...
//ngx_time_lock用于互斥，避免同时更新时间
if (!ngx_trylock(&ngx_time_lock)) {
return;
}
//获取当前时间
ngx_gettimeofday(&tv);
sec = tv.tv_sec;
msec = tv.tv_usec / 1000;
ngx_current_msec = (ngx_msec_t) sec * 1000 + msec;
tp = &cached_time[slot];
//秒值一致则只需要更新当前slot的msec
if (tp->sec == sec) {
tp->msec = msec;
ngx_unlock(&ngx_time_lock);
return;
}
//获取下一slot
if (slot == NGX_TIME_SLOTS - 1) {
slot = 0;
} else {
slot++;
}
tp = &cached_time[slot];
tp->sec = sec;
tp->msec = msec;
ngx_gmtime(sec, &gmt);
p0 = &cached_http_time[slot][0];
(void) ngx_sprintf(p0, "%s, %02d %s %4d %02d:%02d:%02d GMT",
week[gmt.ngx_tm_wday], gmt.ngx_tm_mday,
months[gmt.ngx_tm_mon - 1], gmt.ngx_tm_year,
gmt.ngx_tm_hour, gmt.ngx_tm_min, gmt.ngx_tm_sec);
...//类似更新ngx_cached_err_log_time.data等
ngx_memory_barrier();
ngx_cached_time = tp;
ngx_cached_http_time.data = p0;
ngx_cached_err_log_time.data = p1;
ngx_cached_http_log_time.data = p2;
ngx_cached_http_log_iso8601.data = p3;
ngx_cached_syslog_time.data = p4;
ngx_unlock(&ngx_time_lock);
}ngx_time_update的流程图为:
值得一提的是，这里采用了ngx_memory_barrier来避免指令重排，这样可以尽可能地保证ngx_cached_time、ngx_cached_http_time.data、ngx_cached_err_log_time.data、ngx_cached_http_log_time.data、ngx_cached_http_log_iso8601.data、ngx_cached_syslog_time.data中存储的时间数据一致。
slot设计
上面谈到了nginx采用slot来从空间上避免读写执行体同时操作时间缓存，slot的设计规则为：
获取时间的执行体采用ngx_timeofday获取了当前ngx_cached_time的快照，随后读取对应的slot中数据，包括sec和msec。
更新时间的执行体通过ngx_time_update原子更新ngx_cached_time指向，这样更新之后的时间读取就是新的slot中的时间数据。
这里，nginx利用了修改指针的原子性，确保读写不会造成时间数据混乱。而时间数据本身包括sec和msec，无法完成修改的原子性，这种将非原子性修改操作转换为原子性修改操作的手法，值得借鉴。
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