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程式設計知識。

一、背景

在伺服器開發領域，時間的準確度關係到系統能否正常執行，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呼叫，作為一款成熟的伺服器軟體，Nginx是如何優化這部分的效能開銷？

二、時間快取

接觸過系統設計的同學都知道，對於頻繁的資料獲取，在資料未變化的情形下，可以通過增加快取來優化效能，因為快取的訪問速度遠高於源資料的訪問速度。這樣的例子有很多，比如CPU設計有二級快取，在傳統的database基礎上有了我們今天的redis、memcache等nosql。對於系統時間也一樣，既然獲取系統時間開銷較大，可以嘗試著將獲取到的時間快取起來，需要時直接從快取中取就可以了。但與此同時，也引入了快取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時間快取設計

如上圖所示，Nginx時間快取包括時間讀取和時間寫入者，當需要更新時間時，nginx呼叫gettimeofday系統呼叫獲取時間，然後更新快取。需要獲取時間的程式碼直接從time cache中取出即可。
這裡又產生了新的問題，具體包括：
讀寫併發，即讀和寫同時操作時間快取會造成獲取的時間混亂。
多寫併發，多個執行體同時更新時間快取，同樣造成時間混亂。
而常見的解決互斥的方案包括：
加鎖保證資料序列化

無鎖化設計

像Nginx這樣對於效能有著極致追求的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的背後都是無鎖化的原子操作。
對於多寫併發，nginx在ngx_time_update函式中通過全域性的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快取。
對於讀寫併發，nginx設計了NGX_TIME_SLOTS個slot，用於隔離讀寫操作的時間快取。同時引入時間快取指標，原子地更新當前快取的指向位置。

Nginx時間快取實現

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

void ngx_time_update(void)

ngx_time_update的流程圖為:

值得一提的是，這裡採用了ngx_memory_barrier來避免指令重排，這樣可以儘可能地保證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

slot設計

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

獲取時間的執行體採用ngx_timeofday獲取了當前ngx_cached_time的快照，隨後讀取對應的slot中資料，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，這樣更新之後的時間讀取就是新的slot中的時間資料。
這裡，nginx利用了修改指標的原子性，確保讀寫不會造成時間資料混亂。而時間資料本身包括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，值得借鑑。