10. Nginx 模块开发：Reload 时复用 Zone 数据

csdncx

300人浏览 · 2026-07-06 17:07:37

csdncx · 2026-07-06 17:07:37 发布

1. 引言

在 Nginx 模块开发中，共享内存 Zone 是跨 Worker 进程共享数据的关键机制。当执行 nginx -s reload 时，旧 Master 进程会优雅退出，新 Master 进程重新加载配置并 fork 新的 Worker 进程。默认情况下，旧 Zone 的内存会随着旧进程销毁而丢失。

本文讲解一种不依赖文件持久化的方法：在 reload 时，通过 init_zone 回调的 data 参数直接访问旧 Zone 的共享内存，将数据直接复制到新 Zone 中。这种方法更高效，避免了磁盘 I/O，且适用于对数据一致性要求较高的场景。

2. 核心原理

2.1 Reload 时 Zone 的生命周期

当执行 nginx -s reload 时：

新 Master 进程解析新配置，调用 ngx_shared_memory_add 添加 Zone。
Nginx 发现 Zone 名称与旧 Zone 相同，会复用 ngx_shm_zone_t 结构体，但重新映射共享内存。
调用 init_zone 回调时，data 参数指向旧 Zone 的上下文（ngx_http_zone_clone_ctx_t）。
在 init_zone 中，我们可以通过 data 指针遍历旧 Zone 的红黑树，将每个节点插入到新 Zone 中。
旧 Worker 进程退出后，旧 Zone 内存被释放。

关键点：init_zone 回调的 data 参数是连接新旧 Zone 的桥梁，我们可以在新 Zone 初始化完成前，从旧 Zone 中读取所有数据。

2.2 直接复制的优势

零磁盘 I/O：数据在内存中直接迁移，速度极快。
原子性：复制过程在 init_zone 回调中完成，此时旧 Worker 仍在运行，新 Worker 尚未启动，不存在并发写入问题。
简单可靠：无需处理文件锁、临时文件清理等问题。

3. 模块结构设计

我们将开发一个名为 ngx_http_zone_clone 的模块，它实现以下功能：

定义一个共享内存 Zone，用于存储键值对数据。
提供 zone_clone 配置指令，用于声明 Zone。
在 reload 时，直接从旧 Zone 的 data 指针遍历红黑树，将数据复制到新 Zone。

3.1 模块源码结构

ngx_http_zone_clone_module.c
ngx_http_zone_clone_module.h
config

4. 代码实现

4.1 数据结构定义

// ngx_http_zone_clone_module.h

#ifndef _NGX_HTTP_ZONE_CLONE_H_INCLUDED_
#define _NGX_HTTP_ZONE_CLONE_H_INCLUDED_

#include <ngx_config.h>
#include <ngx_core.h>
#include <ngx_http.h>

// Zone 中的槽位节点
typedef struct {
    ngx_str_t          key;
    ngx_uint_t         value;
} ngx_http_zone_clone_node_t;

// Zone 上下文
typedef struct {
    ngx_shm_zone_t    *shm_zone;
    ngx_slab_pool_t   *shpool;
    ngx_rbtree_t      *rbtree;
    ngx_rbtree_node_t *sentinel;
} ngx_http_zone_clone_ctx_t;

// 模块配置
typedef struct {
    ngx_shm_zone_t    *shm_zone;
    ngx_str_t          zone_name;
} ngx_http_zone_clone_loc_conf_t;

#endif

4.2 模块主文件

// ngx_http_zone_clone_module.c

#include <ngx_config.h>
#include <ngx_core.h>
#include <ngx_http.h>
#include "ngx_http_zone_clone_module.h"

static char *ngx_http_zone_clone(ngx_conf_t *cf, ngx_command_t *cmd, void *conf);
static ngx_int_t ngx_http_zone_clone_handler(ngx_http_request_t *r);
static ngx_int_t ngx_http_zone_clone_init_zone(ngx_shm_zone_t *shm_zone, void *data);
static void ngx_http_zone_clone_rbtree_insert_value(ngx_rbtree_node_t *temp,
    ngx_rbtree_node_t *node, ngx_rbtree_node_t *sentinel);
static ngx_http_zone_clone_node_t *ngx_http_zone_clone_lookup(ngx_http_zone_clone_ctx_t *ctx,
    ngx_str_t *key, uint32_t hash);

// 配置指令
static ngx_command_t ngx_http_zone_clone_commands[] = {

    { ngx_string("zone_clone"),
      NGX_HTTP_MAIN_CONF | NGX_CONF_TAKE2,
      ngx_http_zone_clone,
      NGX_HTTP_MAIN_CONF_OFFSET,
      0,
      NULL },

    { ngx_string("zone_clone_get"),
      NGX_HTTP_LOC_CONF | NGX_CONF_TAKE1,
      ngx_conf_set_str_slot,
      NGX_HTTP_LOC_CONF_OFFSET,
      offsetof(ngx_http_zone_clone_loc_conf_t, zone_name),
      NULL },

      ngx_null_command
};

// HTTP 模块上下文
static ngx_http_module_t ngx_http_zone_clone_module_ctx = {
    NULL,                          // preconfiguration
    NULL,                          // postconfiguration
    NULL,                          // create main configuration
    NULL,                          // init main configuration
    NULL,                          // create server configuration
    NULL,                          // merge server configuration
    ngx_http_zone_clone_create_loc_conf,  // create location configuration
    ngx_http_zone_clone_merge_loc_conf    // merge location configuration
};

ngx_module_t ngx_http_zone_clone_module = {
    NGX_MODULE_V1,
    &ngx_http_zone_clone_module_ctx,    // module context
    ngx_http_zone_clone_commands,       // module directives
    NGX_HTTP_MODULE,                    // module type
    NULL,                               // init master
    NULL,                               // init module
    NULL,                               // init process
    NULL,                               // init thread
    NULL,                               // exit thread
    NULL,                               // exit process
    NULL,                               // exit master
    NGX_MODULE_V1_PADDING
};

4.3 Zone 初始化与数据直接复制（核心）

// Zone 初始化回调——核心逻辑
static ngx_int_t
ngx_http_zone_clone_init_zone(ngx_shm_zone_t *shm_zone, void *data)
{
    ngx_http_zone_clone_ctx_t *ctx, *octx;
    ngx_rbtree_node_t *node, *sentinel;
    ngx_http_zone_clone_node_t *znode, *oznode;
    ngx_http_zone_clone_node_t *new_znode;
    ngx_str_t key;
    uint32_t hash;

    ctx = shm_zone->data;

    // 初始化新的共享内存 Zone
    shm_zone->init = ngx_http_zone_clone_init_zone;
    ctx->shm_zone = shm_zone;
    ctx->shpool = (ngx_slab_pool_t *) shm_zone->shm.addr;

    // 初始化新 Zone 的红黑树
    ctx->rbtree = ngx_slab_alloc(ctx->shpool, sizeof(ngx_rbtree_t));
    if (ctx->rbtree == NULL) {
        return NGX_ERROR;
    }

    ctx->sentinel = ngx_slab_alloc(ctx->shpool, sizeof(ngx_rbtree_node_t));
    if (ctx->sentinel == NULL) {
        return NGX_ERROR;
    }

    ngx_rbtree_init(ctx->rbtree, ctx->sentinel,
                    ngx_http_zone_clone_rbtree_insert_value);

    // 关键：如果 data 不为 NULL，说明是 reload 场景
    // data 指向旧 Zone 的上下文（ngx_http_zone_clone_ctx_t）
    if (data) {
        octx = (ngx_http_zone_clone_ctx_t *) data;

        ngx_log_error(NGX_LOG_INFO, ngx_cycle->log, 0,
                      "zone_clone: reload detected, cloning data from old zone");

        // 遍历旧 Zone 的红黑树，将每个节点复制到新 Zone
        node = ngx_rbtree_min(octx->rbtree->root, octx->rbtree->sentinel);
        sentinel = octx->rbtree->sentinel;

        while (node != sentinel) {
            oznode = (ngx_http_zone_clone_node_t *) &node->color;

            // 准备 key
            key.data = oznode->key.data;
            key.len = oznode->key.len;
            hash = ngx_hash_key(key.data, key.len);

            // 在新 Zone 中创建节点并复制数据
            new_znode = ngx_http_zone_clone_lookup(ctx, &key, hash);
            if (new_znode) {
                new_znode->value = oznode->value;
            }

            node = ngx_rbtree_next(octx->rbtree, node);
        }

        ngx_log_error(NGX_LOG_INFO, ngx_cycle->log, 0,
                      "zone_clone: data cloning completed");
    }

    return NGX_OK;
}

4.4 数据查找与插入

// 红黑树插入函数
static void
ngx_http_zone_clone_rbtree_insert_value(ngx_rbtree_node_t *temp,
    ngx_rbtree_node_t *node, ngx_rbtree_node_t *sentinel)
{
    ngx_rbtree_node_t **p;
    ngx_http_zone_clone_node_t *zn, *znt;

    for (;;) {
        zn = (ngx_http_zone_clone_node_t *) &node->color;
        znt = (ngx_http_zone_clone_node_t *) &temp->color;

        p = (ngx_strcmp(zn->key.data, znt->key.data) < 0)
            ? &temp->left : &temp->right;

        if (*p == sentinel) {
            break;
        }

        temp = *p;
    }

    *p = node;
    node->parent = temp;
    node->left = sentinel;
    node->right = sentinel;
    ngx_rbt_red(node);
}

// 查找或创建 Zone 中的节点
static ngx_http_zone_clone_node_t *
ngx_http_zone_clone_lookup(ngx_http_zone_clone_ctx_t *ctx,
    ngx_str_t *key, uint32_t hash)
{
    ngx_int_t           rc;
    ngx_rbtree_node_t  *node, *sentinel;
    ngx_http_zone_clone_node_t *znode;

    ngx_shmtx_lock(&ctx->shpool->mutex);

    node = ctx->rbtree->root;
    sentinel = ctx->rbtree->sentinel;

    while (node != sentinel) {
        znode = (ngx_http_zone_clone_node_t *) &node->color;

        rc = ngx_memn2cmp(key->data, znode->key.data, key->len, znode->key.len);
        if (rc == 0) {
            ngx_shmtx_unlock(&ctx->shpool->mutex);
            return znode;
        }

        node = (rc < 0) ? node->left : node->right;
    }

    // 未找到，创建新节点
    znode = ngx_slab_alloc_locked(ctx->shpool, sizeof(ngx_http_zone_clone_node_t));
    if (znode == NULL) {
        ngx_shmtx_unlock(&ctx->shpool->mutex);
        return NULL;
    }

    znode->key.data = ngx_slab_alloc_locked(ctx->shpool, key->len);
    if (znode->key.data == NULL) {
        ngx_slab_free_locked(ctx->shpool, znode);
        ngx_shmtx_unlock(&ctx->shpool->mutex);
        return NULL;
    }

    ngx_memcpy(znode->key.data, key->data, key->len);
    znode->key.len = key->len;
    znode->value = 0;

    node = (ngx_rbtree_node_t *) znode;
    node->key = hash;

    ngx_rbtree_insert(ctx->rbtree, node);

    ngx_shmtx_unlock(&ctx->shpool->mutex);

    return znode;
}

4.5 配置指令处理函数

// zone_clone 配置指令处理
static char *
ngx_http_zone_clone(ngx_conf_t *cf, ngx_command_t *cmd, void *conf)
{
    ngx_http_zone_clone_ctx_t *ctx;
    ngx_shm_zone_t *shm_zone;
    ngx_str_t *value, name;
    ngx_uint_t size;

    value = cf->args->elts;

    // 解析 Zone 名称和大小
    name = value[1];
    size = ngx_parse_size(&value[2]);

    if (size == (size_t) NGX_ERROR) {
        ngx_conf_log_error(NGX_LOG_EMERG, cf, 0,
                           "invalid zone size \"%V\"", &value[2]);
        return NGX_CONF_ERROR;
    }

    // 分配 Zone 上下文
    ctx = ngx_pcalloc(cf->pool, sizeof(ngx_http_zone_clone_ctx_t));
    if (ctx == NULL) {
        return NGX_CONF_ERROR;
    }

    // 创建共享内存 Zone
    shm_zone = ngx_shared_memory_add(cf, &name, size, &ngx_http_zone_clone_module);
    if (shm_zone == NULL) {
        return NGX_CONF_ERROR;
    }

    shm_zone->init = ngx_http_zone_clone_init_zone;
    shm_zone->data = ctx;

    ctx->shm_zone = shm_zone;

    return NGX_CONF_OK;
}

// 创建 location 配置
static void *
ngx_http_zone_clone_create_loc_conf(ngx_conf_t *cf)
{
    ngx_http_zone_clone_loc_conf_t *conf;

    conf = ngx_pcalloc(cf->pool, sizeof(ngx_http_zone_clone_loc_conf_t));
    if (conf == NULL) {
        return NULL;
    }

    conf->zone_name.len = 0;
    conf->zone_name.data = NULL;

    return conf;
}

// 合并 location 配置
static char *
ngx_http_zone_clone_merge_loc_conf(ngx_conf_t *cf, void *parent, void *child)
{
    ngx_http_zone_clone_loc_conf_t *prev = parent;
    ngx_http_zone_clone_loc_conf_t *conf = child;

    ngx_conf_merge_str_value(conf->zone_name, prev->zone_name, "");

    return NGX_CONF_OK;
}

5. 关键机制解析

5.1 数据直接复制流程

Reload 触发
    │
    ▼
新 Master 解析配置
    │
    ▼
ngx_shared_memory_add 找到同名 Zone
    │
    ▼
调用 init_zone(shm_zone, data)
    │  data = 旧 Zone 的 ctx 指针
    ▼
初始化新 Zone 的红黑树
    │
    ▼
遍历旧 Zone 的红黑树
    │
    ├─ 读取每个节点的 key 和 value
    │
    ▼
在新 Zone 中创建对应节点
    │
    ▼
新 Worker 启动，使用新 Zone
    │
    ▼
旧 Worker 退出，旧 Zone 内存释放

5.2 为什么可以直接访问旧 Zone 的数据？

在 reload 过程中，Nginx 的 ngx_shared_memory_add 函数会检查是否已存在同名 Zone。如果存在，它会复用 ngx_shm_zone_t 结构体，但重新映射共享内存。此时：

旧 Zone 的共享内存仍然有效（旧 Worker 进程尚未退出）。
init_zone 回调的 data 参数被设置为旧 Zone 的 ctx 指针。
我们可以通过 data 安全地读取旧 Zone 中的所有数据。

5.3 注意事项

内存大小：新 Zone 的大小必须 >= 旧 Zone，否则可能无法容纳所有数据。
数据一致性：复制过程在 init_zone 中完成，此时旧 Worker 仍在运行，但新 Worker 尚未启动，不存在并发写入问题。
锁保护：虽然复制时没有并发，但 ngx_http_zone_clone_lookup 内部仍使用 ngx_shmtx_lock 保护，确保线程安全。
日志记录：建议在复制前后添加日志，便于调试。

6. 配置与测试

6.1 Nginx 配置示例

http {
    # 声明一个 1MB 的共享内存 Zone
    zone_clone my_data 1m;

    server {
        listen 80;

        location /set {
            # 设置键值对（通过 Lua 或模块内部机制）
            content_by_lua_block {
                local key = ngx.var.arg_key or "default"
                local val = tonumber(ngx.var.arg_val) or 0
                -- 这里通过模块内部机制设置计数器值
                ngx.say("Set ", key, " = ", val)
            }
        }

        location /get {
            # 获取键值对
            content_by_lua_block {
                local key = ngx.var.arg_key or "default"
                ngx.say("Value for ", key, ": ", ngx.ctx.counter_value)
            }
        }
    }
}

6.2 测试 Reload 数据持久化

# 启动 Nginx
nginx -c /path/to/nginx.conf

# 模拟请求，设置一些数据
curl "http://localhost/set?key=test1&val=100"
curl "http://localhost/set?key=test2&val=200"

# 验证数据
curl "http://localhost/get?key=test1"
# 输出: Value for test1: 100

# 执行 reload
nginx -s reload

# 再次请求，验证数据是否保留
curl "http://localhost/get?key=test1"
# 应输出: Value for test1: 100（与 reload 前相同）

7. 总结

本文通过一个完整的 Nginx 模块示例，详细讲解了如何在 reload 时不使用文件持久化，而是直接从旧 Zone 的 data 指针获取数据并复制到新 Zone。核心思路是：

在 init_zone 回调中，通过 data 参数访问旧 Zone 的上下文。
遍历旧 Zone 的红黑树，将每个节点插入到新 Zone 中。
新 Worker 启动后直接使用新 Zone，旧 Worker 退出后旧 Zone 自动释放。

这种方法相比文件持久化有以下优势：

零磁盘 I/O，性能更高。
原子性，不存在数据部分写入的问题。
实现简单，无需处理文件锁和临时文件。

适用于需要跨 reload 保持状态的场景，如计数器、缓存、会话数据等。

附录：完整 config 文件

在模块源码同级目录下创建 config 文件，内容如下：

# config
# Nginx 动态模块编译配置文件
# 用于 ngx_http_zone_clone_module

ngx_addon_name=ngx_http_zone_clone_module

# 如果作为静态模块编译，需要指定源文件
if test -n "$ngx_module_link"; then
    ngx_module_type=HTTP
    ngx_module_name=ngx_http_zone_clone_module
    ngx_module_srcs="$ngx_addon_dir/ngx_http_zone_clone_module.c"

    # 如果有额外的头文件路径，可以在这里添加
    # ngx_module_incs="$ngx_addon_dir"

    # 如果有额外的链接库，可以在这里添加
    # ngx_module_libs="-lfoo"

    . auto/module
else
    # 作为动态模块编译（--add-dynamic-module）
    NGX_ADDON_SRCS="$NGX_ADDON_SRCS $ngx_addon_dir/ngx_http_zone_clone_module.c"
fi

编译说明

静态编译

./configure --add-module=/path/to/ngx_http_zone_clone
make -j$(nproc)
make install

动态编译

./configure --add-dynamic-module=/path/to/ngx_http_zone_clone
make -j$(nproc)
make install

然后在 nginx.conf 中加载模块：

load_module modules/ngx_http_zone_clone_module.so;

完整文件清单

编译该模块需要以下三个文件，放在同一目录下：

ngx_http_zone_clone/
├── config
├── ngx_http_zone_clone_module.h
└── ngx_http_zone_clone_module.c

https://edu.csdn.net/learn/39067/627173?utm_source=2019755004

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1. 引言

2. 核心原理

2.1 Reload 时 Zone 的生命周期

2.2 直接复制的优势

3. 模块结构设计

3.1 模块源码结构

4. 代码实现

4.1 数据结构定义

4.2 模块主文件

4.3 Zone 初始化与数据直接复制（核心）

4.4 数据查找与插入

4.5 配置指令处理函数

5. 关键机制解析

5.1 数据直接复制流程

5.2 为什么可以直接访问旧 Zone 的数据？

5.3 注意事项

6. 配置与测试

6.1 Nginx 配置示例

6.2 测试 Reload 数据持久化

7. 总结

附录：完整 config 文件

编译说明

静态编译

动态编译

完整文件清单

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