Nginx × Linux × QUIC × io_uring：内部構造を体系的に理解するための完全ガイド（全14章）

Last updated at 2026-01-02Posted at 2026-01-02

Nginx が「軽量で高速」と言われる理由は何か。
なぜ Apache より少ない CPU で大量の接続を捌けるのか。
そして QUIC や io_uring といった最新技術とどう関係しているのか。

この記事では、Nginx の内部構造をアーキテクチャ → I/O → HTTP → upstream → キャッシュ → QUIC → 未来の順に体系的に整理します。

単なる設定解説ではなく、
「Nginx がどう動いているのか」
「Linux カーネルとどう連携しているのか」
「QUIC や io_uring とどうつながるのか」
を“技術書レベル”で理解できる内容です。

Nginx の内部を深く理解したいエンジニア、
パフォーマンスチューニングをしたい人、
Linux の I/O モデルを体系化したい人に向けた、
永久保存版のまとめ記事です。

第1章：Nginxのアーキテクチャを理解する
第2章：Nginxの設定読み込みとserverブロックの選択
第3章：server_nameのマッチングとlocationの決定
第4章：Nginxの内部処理フェーズ(phase handler)
第5章：イベントループとepoll/kqueueの内部
第6章：upstreamの内部構造とロードバランシング
第7章：proxy_cacheの内部構造とLRU
第8章：レート制限（limit_req）の内部
第9章：zero-copy I/Oの進化（sendfile→splice→io_uring）
第10章：HTTP/2とQUIC（HTTP/3）の内部構造
第11章：Nginxのtimer wheel
第12章：Nginxソースコードの読み方ガイド
第13章：Nginxの未来(io_uring/QUIC)
第14章まとめNginxの内部構造を理解するということ

第1章nginx-の-アーキテクチャを理解する

Nginx を深く理解するためには、まずその「思想」を理解する必要があります。
Nginx は単なる Web サーバーではなく、OS の I/O モデル・ネットワークプロトコル・プロセス設計を徹底的に最適化した「イベント駆動型アプリケーションフレームワーク」です。

この章では、Nginx の内部構造を支える設計思想・プロセスモデル・イベント駆動アーキテクチャを体系的に解説します。

1.1 Nginx の設計思想

Nginx の設計思想は、次の3つに集約できます。

🔥 1. 非同期・イベント駆動モデル（Event-driven Architecture）

Nginx の最大の特徴は、1つの worker が大量の接続を同時に処理できることです。

これは「イベント駆動モデル」によって実現されています。

● 従来の Web サーバー（Apache MPM）の問題点

1接続 = 1スレッド（または1プロセス）
接続数が増えるとスレッド数が増え、コンテキストスイッチが増大
メモリ消費も線形に増える

● Nginx のアプローチ

1 worker = 1スレッド
epoll/kqueue による非同期 I/O
イベントが発生したときだけ処理する
待ち時間（I/O待ち）で CPU を浪費しない

「スレッドを増やすのではなく、イベントを効率的に処理する」
これが Nginx の高速性の根本です。

🔥 2. 少ない worker で最大のスループット

Nginx は worker を CPU コア数に合わせて起動します。

worker_processes auto;

各 worker は 1 CPU コアをフルに使う
worker 同士は競合しないように設計されている
マルチスレッドではなく「マルチプロセス」

なぜ worker はスレッドではなくプロセスなのか？

プロセスはメモリ空間が独立 → 安定性が高い
1 worker がクラッシュしても他の worker は生きている
セキュリティ的にも強い
Nginx は「安定性」を最優先にした設計

🔥 3. OS の I/O モデルを最大限活用する

Nginx は Linux の以下の機能をフル活用します。

epoll（I/O 多重化）
sendfile（zero-copy）
TCP keepalive
TCP Fast Open
カーネルバッファの効率的利用

つまり Nginx は OS の性能を引き出すための“薄いレイヤー” として設計されています。

1.2 master / worker モデル

Nginx のプロセス構造は非常にシンプルです。

📌 図：Nginx プロセス構造

master process
 ├── worker process #1
 │     └── event loop (epoll)
 ├── worker process #2
 │     └── event loop (epoll)
 └── worker process #3
       └── event loop (epoll)

🔧 master process の役割
master は「管理者」であり、実際のリクエスト処理は行いません。

master の仕事
設定ファイルの読み込み・検証

worker の生成・終了

graceful reload（無停止リロード）

シグナル処理（HUP, TERM, QUIT）

master がリクエストを処理しない理由
master が落ちると全体が止まるため

安定性を最優先するため

🔧 worker process の役割

worker は「実働部隊」です。

worker の仕事

accept() で接続を受ける
epoll_wait() でイベントを待つ
HTTP リクエストを処理する
upstream（バックエンド）と通信する
静的ファイルを返す

worker の特徴

1 worker = 1 CPU コアをフル活用
マルチスレッドではなくシングルスレッド
イベントループで大量の接続を処理

🔧 worker と master の関係

master は worker を管理するだけで、
worker は完全に独立して動作します。

重要なポイント

worker 同士はメモリを共有しない
共有が必要な場合は shared memory zone を使う
worker が落ちても master が再起動してくれる

Nginx の安定性は、この「プロセス分離」によって支えられている

1.3 event loop（イベントループ）の基本構造

worker は「イベントループ」を回し続けます。

while (true) {
    events = epoll_wait();
    for (event in events) {
        handler(event);
    }
}

この構造のメリット

I/O 待ちで CPU を浪費しない
同時接続数が増えてもスレッドが増えない
メモリ消費が一定
高負荷でも安定

1.4 Nginx が Apache より高速な理由


項目	Apache	Nginx
モデル	スレッド/プロセス	イベント駆動
同時接続	スレッド数に依存	ほぼ無制限
メモリ消費	接続数に比例	一定
I/O	ブロッキング	非同期
静的ファイル	普通	sendfile で超高速

Nginx は「スレッドを増やす」のではなく「イベントを効率的に処理する」ことで高速化している。

第1章まとめ

Nginx の本質はイベント駆動・非同期 I/O
master/worker モデルで安定性と性能を両立
worker は 1 CPU コアを最大活用するシングルスレッド
epoll によって大量の接続を効率的に処理
sendfile など OS の機能を最大限活用
Apache とは思想が根本的に違う

第2章nginxの設定読み込みとserverブロックの選択

Nginx の設定は「どのファイルがいつ読み込まれるか」を理解すると一気に整理される。

2.1 include の優先順位

Nginx は設定ファイルを上から順番に読み込み、後勝ちで評価する。
● Debian 系の読み込み順

/etc/nginx/nginx.conf
include /etc/nginx/conf.d/*.conf
include /etc/nginx/sites-enabled/*

● ASCII ソート順

00-aaa.conf → 10-bbb.conf → 99-zzz.conf

● 結論
sites-enabled が最も強い（最終的に読み込まれる）

2.2 server ブロックのマージルール

Nginx の設定は「内側が外側を上書きする」

http {
    server {
        location / {
        }
    }
}

優先順位は：

location
server
http

● SSL 設定は server 単位で完結
ssl_certificate は server ブロック内の設定が絶対優先。
設定読み込み → server 選択のフロー

/etc/nginx/nginx.conf
 └── include /etc/nginx/conf.d/*.conf
      └── include /etc/nginx/sites-enabled/*
           └── server blocks (default_server / SSL / location)

2.3 default_server の仕組み

複数のserverブロックが同じポートをlistenしている場合、どれを使うかを決める仕組みが必要。

それがdefault_server

● default_server が選ばれる条件

Host ヘッダが無い
Host がどの server_name にも一致しない
HTTPS の SNI が無い

● 結論
default_server は「最後の受け皿」

第3章server_name のマッチングとlocationの決定

Nginxの仮想ホスト選択は、server_name → location の順で決まる。

3.1 server_name の優先順位

Nginx は server_name を次の順で評価する

完全一致（exact）
ワイルドカード（前方一致）
ワイルドカード（後方一致）
正規表現（regex）
default_server

3.2 server_name_hash の内部構造

大量のserver_nameを高速に検索するため、Nginxはハッシュテーブルを使う

起動時に server_name をハッシュ化
Host ヘッダをハッシュ化
O(1) で検索

● 調整パラメータ

server_names_hash_bucket_size
server_names_hash_max_size

3.3 location マッチングの優先順位

location は次の順で評価される。

exact (=)
prefix（最長一致）
regex（最終勝利）

● 例

location = /about
location /about
location /about/team
location ~ ^/about/[0-9]+$

/about/123 → regex が勝つ

server_name → location 決定フロー

Host ヘッダ
 ├── 完全一致 (exact)
 ├── ワイルドカード一致 (prefix/suffix)
 ├── 正規表現一致 (regex)
 └── default_server

location マッチング
 ├── exact (= /about)
 ├── prefix (/about/)
 └── regex (~ ^/about/[0-9]+$)

第3章まとめ

server_name → location の順で決まる
server_name はハッシュで高速検索
location は exact → prefix → regex
default_server は最後の受け皿

第4章nginxの内部処理フェーズ(phase handler)

4.1 フェーズ一覧
post-read

server rewrite

find config

location rewrite

access

try_files

content

log

4.2 rewrite と return の優先順位
return は即時終了

rewrite は URL 書き換えのみ

4.3 try_files の評価順
静的ファイル → ディレクトリ → fallback

rewrite より後、content handler より前

📌 図：Nginx リクエスト処理フェーズ

第5章イベントループと epoll/kqueue の内部

5.1 epoll の基本
epoll_ctl

epoll_wait

readiness model

5.2 Nginx の event loop
handler の種類

multi-event

accept mutex

5.3 kqueue / event ports との違い
📌 図：epoll イベントループ

第6章upstreamの内部構造とロードバランシング

6.1 proxy_pass の内部処理
upstream 選択

非同期接続

ストリーミング転送

keepalive 再利用

6.2 upstream keepalive の内部構造
worker ローカルの接続プール

idle / busy / expired

FD は worker 間で共有不可

6.3 ロードバランシングアルゴリズム
round robin

least_conn

ip_hash

hash（consistent）

📌 図：upstream keepalive プール構造

第7章proxy_cacheの内部構造とLRU

7.1 ディスク構造
ハッシュベースの階層

ext4/XFS の最適化

7.2 shared memory のメタデータ
key

expire

size

disk path

LRU リンク

7.3 LRU の実装
近似 LRU

末尾削除

ディスク削除

📌 図：proxy_cache（メモリ＋ディスク）

第8章レート制限（limit_req）の内部

8.1 トークンバケット方式
tokens/sec

burst

503 の条件

8.2 shared memory zone の役割
ハッシュテーブル

排他制御（spinlock）

📌 図：トークンバケット

第9章zero-copy I/O の進化（sendfile → splice → io_uring）

9.1 sendfile
ファイル → カーネル → NIC

静的ファイル配信に最適

9.2 splice
pipe 経由の zero-copy

汎用性が高い

9.3 io_uring
SQ/CQ リング

完全非同期

syscall 削減

sendfile の置き換え候補

📌 図：sendfile / splice / io_uring 比較

第10章HTTP/2 と QUIC（HTTP/3）の内部構造

10.1 HTTP/2 のストリーム多重化
フレーム

ストリーム ID

優先度制御

10.2 QUIC のパケット構造
Connection ID

Packet Number

暗号化された payload

10.3 loss detection（RFC9002）
ACK range

packet number space

タイムベース

パケットベース

10.4 フロー制御
ストリーム単位

接続全体

📌 図：QUIC ストリーム構造

第11章nginx の timer wheel

11.1 タイマー管理の課題
keepalive timeout

request timeout

大量のタイマー

11.2 timer wheel の構造
スロット

リスト

O(1) 近い性能

📌 図：timer wheel

第12章nginx ソースコードの読み方ガイド

12.1 event 系
ngx_event.c

ngx_event_epoll.c

ngx_event_timer.c

12.2 http 系
ngx_http_request.c

ngx_http_upstream.c

ngx_http_file_cache.c

ngx_http_limit_req_module.c

12.3 読む順番のおすすめ

第13章nginxの未来io_uring/QUIC

13.1 epoll から io_uring への移行可能性
13.2 QUIC ネイティブサポートの課題
13.3 Nginx Plus と OSS の違い
🏁 第14章：まとめ（永久保存版）
Nginx の高速性の正体

Linux カーネルとの連携

QUIC と io_uring の未来

全体を貫く「イベント駆動」の思想

第14章まとめNginxの内部構造を理解するということ

Nginx の内部構造を体系的に理解すると、
設定ファイルの意味が「暗記」から「理解」に変わります。

なぜイベント駆動が高速なのか
なぜ upstream がブロックしないのか
なぜキャッシュが高速なのか
なぜ QUIC が HTTP/2 を超えるのか
なぜ io_uring が次世代 I/O と呼ばれるのか
これらはすべて、
Nginx が Linux カーネルの設計思想と深く結びついているからです。

Nginx は単なる Web サーバーではなく、
「OS とネットワークの設計美をそのまま体現したソフトウェア」です。

この記事が、
Nginx の内部構造を深く理解するための
永久保存版のリファレンスになれば幸いです。

もしこの記事が役に立ったら、
スターやフォローをしていただけると励みになります。

また、続編として Nginx のセキュリティ設計 / HTTP/2 の内部 / QUIC の実装解説なども書く予定です。

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