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How to achieve smooth restart in nginx

WBOY

Release： 2023-05-11 21:43:13

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一、背景

在服务器开发过程中，难免需要重启服务加载新的代码或配置，如果能够保证server重启的过程中服务不间断，那重启对于业务的影响可以降为0。

二、重启流程

重启意味着新旧接替，在交接任务的过程中势必会存在新旧server并存的情形，因此，重启的流程大致为：

启动新的server
新旧server并存，两者共同处理请求，提供服务
旧的server处理完所有的请求之后优雅退出

这里，最主要的问题在于如何保证新旧server可以并存，如果重启前后的server端口一致，如何保证两者可以监听同一端口。

三、nginx实现

为了验证nginx平滑重启，笔者首先尝试nginx启动的情形下再次开启一个新的server实例，结果如图：

How to achieve smooth restart in nginx

很明显，重新开启server实例是行不通的，原因在于新旧server使用了同一个端口80，在未开始socket reuseport选项复用端口时，bind系统调用会出错。nginx默认bind重试5次，失败后直接退出。而nginx需要监听ipv4地址0.0.0.0和ipv6地址[::]，故图中打印出10条emerg日志。

接下来就开始尝试平滑重启命令了，一共两条命令：

kill -usr2 `cat /var/run/nginx.pid`
kill -quit `cat /var/run/nginx.pid.oldbin`

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第一条命令是发送信号usr2给旧的master进程，进程的pid存放在/var/run/nginx.pid文件中，其中nginx.pid文件路径由nginx.conf配置。

第二条命令是发送信号quit给旧的master进程，进程的pid存放在/var/run/nginx.pid.oldbin文件中，随后旧的master进程退出。

那么问题来了，为什么旧的master进程的pid存在于两个pid文件之中？事实上，在发送信号usr2给旧的master进程之后，旧的master进程将pid重命名，原先的nginx.pid文件rename成nginx.pid.oldbin。这样新的master进行就可以使用nginx.pid这个文件名了。

先执行第一条命令，结果如图：

How to achieve smooth restart in nginx

不错，新旧master和worker进程并存了。再来第二条命令，结果如图:

How to achieve smooth restart in nginx

如你所见，旧的master进程8527和其worker进程全部退出，只剩下新的master进程12740。

不由得产生困惑，为什么手动开启一个新的实例行不通，使用信号重启就可以达到。先看下nginx log文件：

How to achieve smooth restart in nginx

除了之前的错误日志，还多了一条notice，意思就是继承了sockets，fd值为6，7。随着日志翻看nginx源码，定位到nginx.c/ngx_exec_new_binary函数之中，

ngx_pid_t
ngx_exec_new_binary(ngx_cycle_t *cycle, char *const *argv)
{
  ...
  ctx.path = argv[0];
  ctx.name = "new binary process";
  ctx.argv = argv;
  n = 2;
  env = ngx_set_environment(cycle, &n);
...
  var = ngx_alloc(sizeof(nginx_var)
          + cycle->listening.nelts * (ngx_int32_len + 1) + 2,
          cycle->log);
...
  p = ngx_cpymem(var, nginx_var "=", sizeof(nginx_var));
  ls = cycle->listening.elts;
  for (i = 0; i < cycle->listening.nelts; i++) {
    p = ngx_sprintf(p, "%ud;", ls[i].fd);
  }
  *p = '\0';
  env[n++] = var;
...
  env[n] = null;
...
  ctx.envp = (char *const *) env;
  ccf = (ngx_core_conf_t *) ngx_get_conf(cycle->conf_ctx, ngx_core_module);
  if (ngx_rename_file(ccf->pid.data, ccf->oldpid.data) == ngx_file_error) {
    ...
    return ngx_invalid_pid;
  }
  pid = ngx_execute(cycle, &ctx);
  if (pid == ngx_invalid_pid) {
    if (ngx_rename_file(ccf->oldpid.data, ccf->pid.data)
      == ngx_file_error)
    {
      ...
    }
  }
...
  return pid;
}

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函数的流程为

将旧的master进程监听的所有fd，拷贝至新master进程的env环境变量nginx_var。
rename重命名pid文件
ngx_execute函数fork子进程，execve执行命令行启动新的server。
在server启动流程之中，涉及到环境变量nginx_var的解析，ngx_connection.c/ngx_add_inherited_sockets具体代码为:

static ngx_int_t
ngx_add_inherited_sockets(ngx_cycle_t *cycle)
{
...
  inherited = (u_char *) getenv(nginx_var);
  if (inherited == null) {
    return ngx_ok;
  }
  if (ngx_array_init(&cycle->listening, cycle->pool, 10,
            sizeof(ngx_listening_t))
    != ngx_ok)
  {
    return ngx_error;
  }
  for (p = inherited, v = p; *p; p++) {
    if (*p == ':' || *p == ';') {
      s = ngx_atoi(v, p - v);
      ...
      v = p + 1;
      ls = ngx_array_push(&cycle->listening);
      if (ls == null) {
        return ngx_error;
      }
      ngx_memzero(ls, sizeof(ngx_listening_t));
      ls->fd = (ngx_socket_t) s;
    }
  }
  ...
  ngx_inherited = 1;
  return ngx_set_inherited_sockets(cycle);
}

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函数流程为：

解析环境变量nginx_var的值，获取fd存入数组

fd对应的socket设为ngx_inherited，保存这些socket的信息。

也就是说，新的server压根就没重新bind端口listen，这些fd状态和值都是新的master进程fork时带过来的,新的master进程监听处理继承来的文件描述符即可，这里比较关键的一点在于listen socket文件描述符通过env传递。

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