芯耀
与非AI
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大家好，我是 WeiyiGeek，一名深耕安全运维开发（SecOpsDev）领域的技术从业者，致力于探索DevOps与安全的融合（DevSecOps），自动化运维工具开发与实践，企业网络安全防护，欢迎各位道友一起学习交流、一起进步 ，若此文对你有帮助，一定记得点个关注⭐与小红星❤️或加入到作者知识星球『 全栈工程师修炼指南』，转发收藏学习不迷路 。
前言简述
本篇将主要讲解Nginx性能优化的系统性方法论，涵盖CPU调度、内存层、网络层、磁盘IO四大软件优化方向，并深入解析了提升硬件利用率（CPU、内存、磁盘IO、网络带宽）的核心策略，以及硬件升级与集群扩展等进阶方案，这就要求我们不仅修改Nginx相关指令配置，还需使用或调整 Linux 内核参数，甚至是增加硬件资源层面的考量。
通过本文的学习，你将了解到如何在不增加硬件成本的前提下，通过调整现有 Nginx配置和Linux内核参数来提升其性能。这将帮助你在面对高并发请求时，保持服务的稳定性和响应速度，进而提高用户体验和应用的整体效能，作者在学习总结此文时也是受益颇多，希望同样对各位知友有帮助，感谢支持。
温馨提示：若文章代码块中存在乱码或不能复制，请联系作者，也可通过文末的阅读原文链接，加入知识星球中阅读，原文链接：https://articles.zsxq.com/id_c5gt26jx4zcp.html
0x01 性能优化
作者将通过四大部分来讲解Nginx的性能优化，第一部分：CPU（进程调度模块）优化；第二部分：内存层面优化；第三部分：网络层面优化；第四部分：磁盘IO性能优化，不过在此之前，我们先来了解一下优化方法论，主要是在保持 Nginx 上下文切换少的优势前提下，从软件层面提升硬件使用效率，由于硬件资源更改的成本较高，所以优先考虑软件层面的优化。
从软件层面提升硬件使用效率，主要有提升硬件（CPU、内存、磁盘IO、网络带宽）利用率；除此之外，还有硬件层面升级（CPU、内存、磁盘IO、网络带宽）和集群扩展（使用DNS负载均衡）。
• CPU层面优化：主要是进程调度模块的优化，软件层面配置 worker_processes、worker_cpu_affinity等指令, 硬件方面则可选用更快的主频、更多的核心，更大的缓存，以及更优的架构及微架构（如Intel Ice Lake、AMD Zen系列）。
• 内存层面优化：主要是内存分配层面的优化，软件层面配置 worker_rlimit_nofile、open_file_cache等指令, 硬件方面则可选用更大的内存总量、通道数以及内存频率（DDR4-3200Hz /DDR5-6400Hz /DDR6）使得数据传输速率提升。
• 磁盘IO性能优化：主要是文件系统层面的优化，软件层面配置 open_file_cache、aio等指令, 硬件方面则可将机械硬盘（HDD）换用更快的固态硬盘（SSD）。
• 网络层面优化：主要是TCP协议层面的优化，软件层面配置 tcp_nopush、tcp_nodelay等指令, 硬件方面则可选用更快的网卡，例如 10G/25G/40G 网卡显著缓解网络瓶颈，随之而来的是成本随速率提升而增加，但收益最明显。
最后，硬件物理上限受限于机箱尺寸、机柜空间、散热与供电能力，以及资金投入，因此集群扩展是性价比最高的选择，在单机Nginx达性能瓶颈后，可通过集群扩展进一步提升整体性能，例如：Kubernetes、Docker 等容器编排平台，部署多台 Nginx 实例在不同节点上，通过内部 DNS 负载均衡软件（如：Kubernetes 中 coredns 服务），通过 DNS 轮询将请求分散到多个Nginx实例上，以避免单点问题，另外，一些大型的企业往往有硬件的负载均衡设备，例如 F5、A10 等，也可通过硬件负载均衡设备分担 Nginx 的请求压力。
1.1 CPU层面优化
从软件层面优化包括：
• 一是降低无效进程激活，“惊群”（应为"僵群"，指大量非活跃进程被轮询唤醒）,因活跃进程少却频繁激活非活跃进程，从而会降低CPU利用率。
• 二是使用更高的 Linux 内核版本，如在 Kernel 3.9 版本引入的CFS（应为Schedutil或ZEN相关，但原文明确称ZS pod）通过新负载均衡机制提升CPU利用率
• 三是使用 ngx_http_gzip_static_module 模块对静态内容预压缩，避免对静态响应实时GZIP压缩，以减少CPU开销。
优化指南
Nginx 性能优化中提升 CPU 利用效率的核心策略是提升进程调度效率和 Nginx Worker 进程数量配置、避免主动让出CPU（阻塞API）、减少上下文切换（区分主动/被动切换）、提升静态优先级（调整nice值）以延长时间片。
如何提升(增大) Nginx 还是要 CPU 的有效时长?
• 第一、充分利用全部CPU资源：前面笔记提到 Nginx 采用 Master（负责管理）- Worker（处理请求）架构，Worker 进程数量应该大于或等于 CPU 核心数，以覆盖全部计算能力；可通过 worker_processes 指令配置多个 Worker 进程，并通过 worker_cpu_affinity 指令将 Worker 进程绑定到特定CPU核心上。
Syntax: worker_processes number | auto;
Default: worker_processes 1;
Context: main
Syntax: worker_cpu_affinity cpumask ...;
worker_cpu_affinity auto [cpumask];
Default: —
Context: main
# 配置示例：
# 将4个worker进程绑定到四核心的CPU上，并分别绑定到CPU核心0-3上
worker_processes 4;
worker_cpu_affinity 0001 0010 0100 1000;
# 在 1.9.10 版本及之后支持的自动绑定CPU核心功能，简化配置：
worker_processes auto;
worker_cpu_affinity auto;
温馨提示：若存在其他服务竞争CPU，可酌情降低配置，但通常建议设为等于CPU核心数以避免进程间争抢。
- • 第二、避免 worker 进程做无用功：“无用功” 指非必要让出CPU，例如，多个 worker 进程因资源争抢（如锁竞争）导致主动让出CPU；调用阻塞式API（尤其OpenResty中第三方库的阻塞调用），使整个worker 进程进入 sleep 状态；所以在使用 OpenResty 场景中应谨慎选用模块，规避提供阻塞API的第三方库。
- • 第三、减少外部进程资源争抢：例如，提升worker进程优先级，增大其获得的时间片长度；精简系统负载，移除或迁移高资源消耗的非业务进程（如冗余监控服务）。
为何单个CPU可以同时运行多个进程?
看过作者前面《计算机操作系统原理原理笔记》的道友应该知道CPU"并发"运行的本质；其宏观并行、微观串行，操作系统将CPU时间划分为时间片，各进程轮转执行，时间片定义单次最大执行时长，是调度关键参数。
weiyigeek.top-进程调度与上下文切换机制图
值得注意的是，阻塞 API 将会引发在时间片内主动让出 CPU，导致进程空闲等待下一次调度，导致阻塞 API 的主要原因有：
• 硬件执行速度不匹配：如CPU纳秒级指令 vs 机械硬盘耗费 30ms~40ms 进行磁头寻址；
• 业务逻辑固有延迟：如网络I/O需等待报文往返（光速传播+远端处理耗时）。
在操作系统中进程(线程)生命周期五个流程，即 new、ready、running、blocked、exit,在 Linux 操作系统中使用 top 命令可查看到进程的五种状态：
• R运行状态（Running/Ready）：就绪或正在运行，为理想状态；
• S休眠状态（Sleeping）：因阻塞API进入休眠，需主动让出CPU；
• D不可中断状态（Interruptible）：因等待中断事件而休眠，如等待磁盘IO完成；
• Z僵死状态（Zombie）：已完成执行但未释放资源，即进程描述符存在，直到父进程调用wait4()回收资源，才算彻底结束。
• T停止状态（Traced/Stopped）：进程接收到 SIGSTOP、SIGSTP、SIGTIN、SIGTOU 信号后停止运行。
weiyigeek.top-进程生命周期管理视图
如何减少进程间的切换对性能的影响?
综上所述，所以为了保证 Nginx 性能应该尽量减少进程间的切换，降低每秒数十万级请求下的切换开销（单次成本虽<5μs，但高频累积显著），从而带来的性能损耗。
问题来了，什么是进程间的切换?
指 CPU 从一个
进程或线程切换到另一个进程或线程，进程的上下文切换（Context Switching）分为被动和主动两种： 主动切换须彻底规避：主要由阻塞API触发； 被动切换则由操作系统调度器决定，例如时间片耗尽、优先级变化等；
解决方案：
- • 1.尽可能保证 Worker 进程处于运行状态，且特别关注R状态和S状态，当 R 状态的进程数量大于 CPU 核心时负载显著上升。
top -c -p $(ps aux | grep "nginx" | grep -E "(master process|worker process)" | sed -e 's#[ ][ ]*# #g' | cut -d " " -f 2 | paste -s -d ',')
weiyigeek.top-查看Nginx进程状态情况他图
• 2.减少主动切换，例如，避免阻塞API调用、减少外部资源争抢等。
• 3.减少被动切换，例如，提升进程优先级、增大时间片长度等。
• 4.使用 worker_cpu_affinity 指令将 Worker 进程绑定到特定 CPU 核心上，减少跨核迁移损耗，和消除跨核缓存失效与调度竞争。
• 5.使用 deferred 指令延迟处理新连接，从而利用 TCP_DEFER_ACCEPT 减少 TCP 连接建立时的上下文切换。
Syntax: listen address[:port] [deferred]
Default: listen *:80 | *:8000;
Context: server
如何查看进程上下文切换次数?
在 Linux 系统中上下文切换监控方法，有如下几种方式：
系统级监控：
• cat /proc/stat
- 中 ctxt 字段；
# 实时查看
cat /proc/stat | grep ctxt
cat /proc/stat | grep ctxt ; sleep 1 ; cat /proc/stat | grep ctxt
# 计算两次间隔1秒的差值
ctxt1=$(grep ctxt /proc/stat | awk '{print $2}'); sleep 1; ctxt2=$(grep ctxt /proc/stat | awk '{print $2}'); echo"每秒切换: $((ctxt2 - ctxt1))"
-
- •
vmstat 1
- 输出的 cs（context switches）列（每秒上下文切换次数）。
# 每秒上下文切换次数
$ vmstat -S M -w -n 1
--procs-- -----------------------memory---------------------- ---swap-- -----io---- -system-- ----------cpu----------
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st gu
0 0 0 14485 28 620 0 0 88 58 1534 1 0 0 99 0 0 0
0 0 0 14485 28 620 0 0 0 0 511 895 0 0 100 0 0 0
# 上下文切换总次数
$ vmstat -s 1 1 | grep "context switches"
7439068 CPU context switches
weiyigeek.top-系统级上下文切换数量查看图
•dstat -vm 中的 csw 字段列。
dstat -vm --nocolor 1
---procs--- ------memory-usage----- ---paging-- -dsk/total- ---system-- ----total-usage----
run blk new| used free buf cach| in out | read writ| int csw |usr sys idl wai stl
0 0 | 662M 14G 58M 669M| | | |
0 0 0| 661M 14G 58M 669M| 0 0 | 0 0 | 614 949 | 0 0 100 0 0
0 0 0| 661M 14G 58M 669M| 0 0 | 0 0 | 560 906 | 0 0 100 0 0
0 0 0| 659M 14G 58M 669M| 0 0 | 0 0 | 486 861 | 0 0 100 0 0进程级监控：
• 使用 pidstat -w -p <PID> 显示指定worker进程的切换统计信息，需安装 sysstat 包，其中 cswch/s表示每秒上下文切换次数，nvcswch/s 表示每秒自愿上下文切换次数。
# 安装
yum install sysstat -y
# 实时查看每秒上下文切换
$ pidstat -w -p $(ps aux | grep "nginx" | grep -E "(master process|worker process)" | sed -e 's#[ ][ ]*# #g' | cut -d " " -f 2 | paste -s -d ',') 1
03:29:46 PM UID PID cswch/s nvcswch/s Command
03:29:46 PM 0 3752 0.00 0.00 nginx
03:29:46 PM 1000 3883 0.00 0.00 nginx
....
# 查看进程CPU使用情况
$ pidstat -p $(ps aux | grep "nginx" | grep -E "(master process|worker process)" | sed -e 's#[ ][ ]*# #g' | cut -d " " -f 2 | paste -s -d ',') 1
03:30:32 PM UID PID %usr %system %guest %wait %CPU CPU Command
03:30:32 PM 0 3752 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 3 nginx
03:30:32 PM 1000 3883 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 13 nginx
...
weiyigeek.top-进程级别上下文切换数量查看图
在生产环境若 cswch/s、nvcswch/s 两项均维持极低水平（接近0或个位数），表示进程间切换极少，反之则需优化。
最后建议各位新手朋友，可加入到作者知识星球中，完整系统的学习 Nginx 高性能Web服务器从入门到生产时间，后续也将持续更新 OpenResty 系列文章，感谢大家支持。
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