本文適合對nginx實現原理比較感興趣的同學閱讀，需要具備一定的服務端編程知識。

一、背景

在服務器開發領域，時間的準確度關系到系統能否正常運行，尤其是當系統中存在超時事件需要處理時。但是系統時間的獲取需要一次昂貴的系統調用，作為一款成熟的服務器軟件，Nginx是如何優化這部分的性能開銷？

二、時間緩存

接觸過系統設計的同學都知道，對于頻繁的數據獲取，在數據未變化的情形下，可以通過增加緩存來優化性能，因為緩存的訪問速度遠高于源數據的訪問速度。這樣的例子有很多，比如CPU設計有二級緩存，在傳統的database基礎上有了我們今天的redis、memcache等nosql。對于系統時間也一樣，既然獲取系統時間開銷較大，可以嘗試著將獲取到的時間緩存起來，需要時直接從緩存中取就可以了。但與此同時，也引入了緩存時間與實際時間不一致的可能，下面看看Nginx是如何解決這一問題。

三、設計與實現

Nginx時間緩存設計

如上圖所示，Nginx時間緩存包括時間讀取和時間寫入者，當需要更新時間時，nginx調用gettimeofday系統調用獲取時間，然后更新緩存。需要獲取時間的代碼直接從time cache中取出即可。

這里又產生了新的問題，具體包括：

• 讀寫并發，即讀和寫同時操作時間緩存會造成獲取的時間混亂。

• 多寫并發，多個執行體同時更新時間緩存，同樣造成時間混亂。

而常見的解決互斥的方案包括：

• 加鎖保證數據串行化

• 無鎖化設計

像Nginx這樣對于性能有著極致追求的server來說，自然不會使用系統自帶的鎖機制。其實現的ngx_lock和ngx_unlock的背后都是無鎖化的原子操作。

對于多寫并發，nginx在ngx_time_update函數中通過全局的ngx_time_lock進行互斥，確保同一時刻只會存在一個執行體更新時間緩存。

對于讀寫并發，nginx設計了NGX_TIME_SLOTS個slot，用于隔離讀寫操作的時間緩存。同時引入時間緩存指針，原子地更新當前緩存的指向位置。

Nginx時間緩存實現

下面看具體實現代碼(以nginx-1.13.1為例src/core/ngx_times.c)：

void ngx_time_update(void) { ... //ngx_time_lock用于互斥，避免同時更新時間if (!ngx_trylock(&ngx_time_lock)) {return;} //獲取當前時間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];//秒值一致則只需要更新當前slot的msecif (tp->sec == sec) {tp->msec = msec;ngx_unlock(&ngx_time_lock);return;} //獲取下一slotif (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);...//類似更新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的流程圖為:?

值得一提的是，這里采用了ngx_memory_barrier來避免指令重排，這樣可以盡可能地保證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中存儲的時間數據一致。

slot設計

上面談到了nginx采用slot來從空間上避免讀寫執行體同時操作時間緩存，slot的設計規則為：?

• 獲取時間的執行體采用ngx_timeofday獲取了當前ngx_cached_time的快照，隨后讀取對應的slot中數據，包括sec和msec。

• 更新時間的執行體通過ngx_time_update原子更新ngx_cached_time指向，這樣更新之后的時間讀取就是新的slot中的時間數據。

這里，nginx利用了修改指針的原子性，確保讀寫不會造成時間數據混亂。而時間數據本身包括sec和msec，無法完成修改的原子性，這種將非原子性修改操作轉換為原子性修改操作的手法，值得借鑒。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的深入剖析nginx时间缓存的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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