Apache 的性能瓶颈与 Nginx 的性能优势
每一名后端开发可能都知道 Nginx 比 Apache 性能强，但是为什么强，强在哪里，接下来我们动手实验解答这个问题。
Nginx 利用了新的 Linux kernel API
Nginx 利用了 Linux 内核引入的 epoll 事件驱动 API，大幅降低了海量 TCP 连接下的 CPU 负载，提升了单个系统的 TCP 响应容量，这是 Nginx 性能更好的本质原因：时代在进步。
每一篇技术文章都会说，Nginx 的 epoll 比 Apache 的 select 性能高，但为什么，却几乎没人解释。下面我来尝试解释。
epoll 简单解释
众所周知，epoll 是一种高性能事件驱动 IO 多路复用机制，那他和 select 这种原始 IO 多路复用机制比有什么优势呢？简单来说，就是：转守为攻。
epoll 化被动为主动，以前需要两次遍历才能实现的网络数据包和线程的匹配，现在通过事件驱动的方式主动献上指针，性能暴增。这就像云原生时代的 Prometheus 监控：化主动上传为被动查询，大幅提升单个采集节点的性能上限，成功解决了监控领域的高并发性能问题。
在 5K 个 TCP 连接的情况下，每收到一个数据包，Nginx 找到对应线程的速度比 Apache 高了两个数量级，即便是 event 模式下的 Apache，性能依然远低于 Nginx，因为 Nginx 就是专门为“反向代理”设计的，而 Apache 本质是个 web 应用容器，无法做到纯粹的事件驱动，性能自然无法和 Nginx 相比。
Apache 的原始并发模型
Apache 支持三种进程模型：prefork、worker 和 event，在此我们简单讨论一下这三种模式的优缺点。
- prefork 是进程模式，需要消耗更多的内存，每次接到一段新的数据，需要使用 select 模型，遍历 TCP连接数 x 进程数 这么多次才能找到匹配的进程，在数千个 TCP 连接下，光是寻找线程就需要消耗掉一个 CPU 核心，单机性能达到极限，无法利用更多的 CPU 资源
- worker 是线程模式，依旧使用 select 模型来遍历 TCP 请求和线程，性能上限和 prefork 一致，区别是内存消耗量有了一些降低，初始 TCP 承载能力稍好，请求数突然增加的场景下，开新线程的速度反而比 prefork 更慢，且基础延迟比 prefork 模式更高
- event 模式采用和 Nginx 一致的 epoll 模型承载，理论上表现和 Nginx 一致，但由于 Apache 大概率是和 mod_php（插件）模式的 PHP 一起部署，再加上 PHP 阻塞运行的特性，性能和上面两兄弟并无明显区别。因此即便是 event 模式下的 Apache，性能依然远低于 Nginx。
接下来我们使用 jmeter 测试一下 prefork、worker、event 三种模式的性能。
压力测试
测试环境
客户端：
- i5-10400 6 核 12 线程
- 32GB 内存
- 千兆有线网络
- 软件环境
- macOS
- Java 19.0.1
服务端：
- 物理服务器 E5-2682V4 2.5GHz 16 核 32 线程 * 2 （阿里云 5 代 ECS 同款 CPU）256GB RAM
- 虚拟机 64 vCPU （赋予了虚拟机所有母机的 CPU 资源）
- 虚拟机内存 32GB
- 软件环境
- CentOS Stream release 9
- kernel 5.14.0-200.el9.x86_64
- Apache/2.4.53
- Nginx/1.20.1
- PHP 8.0.26
- PHP 环境：
- Laravel 9.19
- 给默认路由增加 sleep 500ms 的代码，模拟数据库、Redis、RPC、cURL微服务等场景
- 执行 php artisan optimize 后测试
测试代码
Route::get('/', function () {
usleep(500000);
return view('welcome');
});- Apache prefork 模式配置
<IfModule mpm_prefork_module>
StartServers 100
MinSpareServers 5
MaxSpareServers 100
MaxRequestWorkers 500
MaxRequestsPerChild 100000
</IfModule>- php-fpm 配置
pm = static
pm.max_children = 500实验设计
我们将测试三种配置下的性能表现差异：
- Apache 标准模式：prefork + mod_php 插件式运行 PHP
- Nginx + php-fpm 专用解释器
- Nginx 作为 HTTP 反向代理服务器后接 Apache prefork 模式 + mod_php 插件式运行 PHP
请求计划
- 客户端新线程开启后，每隔 5 秒发送一个请求
- jmeter 用 50 秒开 5000 个线程，持续压测 100 秒，最大请求 QPS 为 1000
为什么这么设计？
单独对比 Nginx 和 Apache 性能的文章很多，数据结果也大同小异，无非是 Nginx 的 QPS 更高，但是 “为什么是这样？” 却没人回答，我本次的实验设计就是要回答这个问题。
Apache 标准模式：prefork + mod_php
nginx + php-fpm
nginx 反向代理 Apache 标准模式
结果分析
我们可以很明显地看出，Apache + prefork 的问题在于它对数千个 TCP 连接的处理能力不足。
- Nginx + fpm 一共发出了 59146 个请求，成功了五万个
- Nginx + Apache 一共发出了 56464 个请求，成功了五万两千个，比 fpm 还多一些
- fpm 模式最大 QPS 为 800 但比较稳定，Nginx + Apache 最大 QPS 1000 但不够稳定
- 至于 Apache 标准模式，显然它的技术架构不足以处理 5000 个 TCP 连接下 1000 QPS 的状况，QPS 低且不稳定，错误率高达 43%
结论：
- Nginx 处理海量用户的海量 TCP 连接的能力超群
- 提升 Apache 性能只需要在前面加一个 Nginx 作为 HTTP 反向代理即可，因为此时 Apache 只需要处理好和 Nginx 之间的少量 TCP 连接，性能损耗较小
- php-fpm 和 mod_php 在执行 PHP 的时候没有任何性能差异
Nginx epoll 和 Apache prefork 模型相比，优势劣势如下：
优势
- Nginx 每个 worker 进程可以 handle 上千个 TCP 连接，消耗很少的内存和 CPU 资源，可以让单台服务器承接比 Apache 多两个数量级的用户量，相比于 Apache 单机 5K 的 TCP 连接数上限（对应的是 2000 个在线用户），是一个巨大的进步
- Nginx 对 TCP 的复用使它非常善于应对海量客户端的直接连接，根据我的实测，在 HTTP 高并发下 Nginx 的活跃 TCP 连接数可以做到 Apache 的五分之一，而且用户量越高，复用效果越好
- 在架构上，基于 FastCGI 网络协议进行架构扩展，也可以更轻易地利用多台物理服务器的并行计算能力，提升整个系统的性能上限
劣势
- 在低负载下，Nginx 事件驱动的特性使得每个请求的响应时长比 Apache prefork 模式略长一些（14ms vs 9ms）
我的真实经验
新冠时期的爱情机遇
疫情初期，我司的私域电商业务兴起于草莽之间，在 3 月中旬才上班的情况下，半个月的 GMV 超过了前面一年，4 月就完成了全年目标，电商系统性能压力陡增。
当时我们的电商系统是购买的一个 PHP 单体系统，天生不具有扩展性，外加业务模式是团购秒杀，可要了亲命了。客户端为微信小程序，服务端主要提供两种业务：开团瞬间的海量 HTTP API 请求，以及每一个页面都非常消耗资源的订单管理后台。
当时我面临的第一个问题是数据库顶不住，我找到请求数最高的接口：商品详情，为它增加了一层保持时长为一分钟的 Redis 缓存，开团瞬间数据库的压力降低了很多。
而且幸运的是当时阿里云刚刚将 PolarDB 商用几个月，我用它顶住了开团三分钟内涌入的大约 4000 名用户，但是当我把虚拟机升级到 16 核 32G 内存的时候出现了一个非常诡异的现象：
- CPU 和内存占用率分别只有 8% 和 6%
- 但大量的新用户就是无法建立 TCP 连接，首次连接的客户端表现为长时间的等待
- 如果运气好在等待一段时间后成功进去了，那访问便会一直如丝般顺滑，每个接口的返回时间都非常短
这是为什么呢？这是因为新用户无法和服务器建立 TCP 连接！
默认情况下，CentOS 7.9 的最大文件打开数（ulimit）为 1024，一切皆文件，每个 TCP 连接也是一个文件，所以也被锁定在了 1024 个。一般大家都会把这个数字设置为 65535，但是我观察到，这台虚拟机此时的 TCP 连接数只能跑到 5-6K 之间，远远达不到用户的需求，无论是采用 prefork、worker 还是 event 都是这样。而原因就是我们上面实测过的：此时 Apache 花费了一颗核心的全部时间片来进行数据包和线程的匹配，已经忙不过来了。
后来，我在这台机器上安装了一个 Nginx，反向代理全部的用户请求再发送给 Apache：请求一下子舒畅了，而且 Nginx 使用的最大活跃 TCP 连接数量也只有 1K，就完全满足了三分钟 4000 用户的需求。
还记得我们的目标吗？一百万 QPS
在 2022 年的主流云服务器硬件上，经过 OPCache 性能优化的 PHP 应用，只需要 2 vCore 便可以达到 5K 的单机 Apache TCP 上限，此时 QPS 在 200 左右，单纯提升核心数量无法让这个数字大幅增加。而通过使用 Nginx，我们可以将单系统的 QPS 上限从 200 提升到 1000。
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