Nginx 静态文件服务

我们先来看看最简单的本地静态文件服务配置示例:

server {
        listen       80;
        server_name www.test.com;
        charset utf-8;
        root   /data/www.test.com;
        index  index.html index.htm;
       }

就这些?恩,就这些!如果只是提供简单的对外静态文件,它真的就可以用了。可是他不完美,远远没有发挥 Nginx 的半成功力,为什么这么说呢,看看下面的配置吧,为了大家看着方便,我们把每一项的作用都做了注释。

http {
    # 这个将为打开文件指定缓存,默认是没有启用的,max 指定缓存数量,
    # 建议和打开文件数一致,inactive 是指经过多长时间文件没被请求后删除缓存。
    open_file_cache max=204800 inactive=20s;

    # open_file_cache 指令中的inactive 参数时间内文件的最少使用次数,
    # 如果超过这个数字,文件描述符一直是在缓存中打开的,如上例,如果有一个
    # 文件在inactive 时间内一次没被使用,它将被移除。
    open_file_cache_min_uses 1;

    # 这个是指多长时间检查一次缓存的有效信息
    open_file_cache_valid 30s;

    # 默认情况下,Nginx的gzip压缩是关闭的, gzip压缩功能就是可以让你节省不
    # 少带宽,但是会增加服务器CPU的开销哦,Nginx默认只对text/html进行压缩 ,
    # 如果要对html之外的内容进行压缩传输,我们需要手动来设置。
    gzip on;
    gzip_min_length 1k;
    gzip_buffers 4 16k;
    gzip_http_version 1.0;
    gzip_comp_level 2;
    gzip_types text/plain application/x-javascript text/css application/xml;

    server {
            listen       80;
            server_name www.test.com;
            charset utf-8;
            root   /data/www.test.com;
            index  index.html index.htm;
           }
}

我们都知道,应用程序和网站一样,其性能关乎生存。但如何使你的应用程序或者网站性能更好,并没有一个明确的答案。代码质量和架构是其中的一个原因,但是在很多例子中我们看到,你可以通过关注一些十分基础的应用内容分发技术(basic application delivery techniques),来提高终端用户的体验。其中一个例子就是实现和调整应用栈(application stack)的缓存。

文件缓存漫谈

一个 web 缓存坐落于客户端和原始服务器(origin server)中间,它保留了所有可见内容的拷贝。如果一个客户端请求的内容在缓存中存储,则可以直接在缓存中获得该内容而不需要与服务器通信。这样一来,由于 web 缓存距离客户端“更近”,就可以提高响应性能,并更有效率的使用应用服务器,因为服务器不用每次请求都进行页面生成工作。

在浏览器和应用服务器之间,存在多种潜在缓存,如:客户端浏览器缓存、中间缓存、内容分发网络(CDN)和服务器上的负载平衡和反向代理。缓存,仅在反向代理和负载均衡的层面,就对性能提高有很大的帮助。

举个例子说明,去年,我接手了一项任务,这项任务的内容是对一个加载缓慢的网站进行性能优化。首先引起我注意的事情是,这个网站差不多花费了超过 1 秒钟才生成了主页。经过一系列调试,我发现加载缓慢的原因在于页面被标记为不可缓存,即为了响应每一个请求,页面都是动态生成的。由于页面本身并不需要经常性的变更,并且不涉及个性化,那么这样做其实并没有必要。为了验证一下我的结论,我将页面标记为每 5 秒缓存一次,仅仅做了这一个调整,就能明显的感受到性能的提升。第一个字节到达的时间降低到几毫秒,同时页面的加载明显要更快。

并不是只有大规模的内容分发网络(CDN)可以在使用缓存中受益——缓存还可以提高负载平衡器、反向代理和应用服务器前端 web 服务的性能。通过上面的例子,我们看到,缓存内容结果,可以更高效的使用应用服务器,因为不需要每次都去做重复的页面生成工作。此外,Web 缓存还可以用来提高网站可靠性。当服务器宕机或者繁忙时,比起返回错误信息给用户,不如通过配置 Nginx 将已经缓存下来的内容发送给用户。这意味着,网站在应用服务器或者数据库故障的情况下,可以保持部分甚至全部的功能运转。

下面讨论如何安装和配置 Nginx 的基础缓存(Basic Caching)。

如何安装和配置基础缓存

我们只需要两个命令就可以启用基础缓存:proxy_cache_pathproxy_cache。proxy_cache_path 用来设置缓存的路径和配置,proxy_cache 用来启用缓存。

proxy_cache_path/path/to/cache levels=1:2 keys_zone=my_cache:10m max_size=10g inactive=60m
use_temp_path=off;

server {
    ...
    location / {
        proxy_cache my_cache;
        proxy_pass http://my_upstream;
    }

}

proxy_cache_path 命令中的参数及对应配置说明如下:

  1. 用于缓存的本地磁盘目录是 /path/to/cache/
  2. levels 在 /path/to/cache/ 设置了一个两级层次结构的目录。将大量的文件放置在单个目录中会导致文件访问缓慢,所以针对大多数部署,我们推荐使用两级目录层次结构。如果 levels 参数没有配置,则 Nginx 会将所有的文件放到同一个目录中。
  3. keys_zone 设置一个共享内存区,该内存区用于存储缓存键和元数据,有些类似计时器的用途。将键的拷贝放入内存可以使 Nginx 在不检索磁盘的情况下快速决定一个请求是 HIT 还是 MISS,这样大大提高了检索速度。一个 1MB 的内存空间可以存储大约 8000 个 key,那么上面配置的 10MB 内存空间可以存储差不多 80000 个 key。
  4. max_size 设置了缓存的上限(在上面的例子中是 10G)。这是一个可选项;如果不指定具体值,那就是允许缓存不断增长,占用所有可用的磁盘空间。当缓存达到这个上线,处理器便调用 cache manager 来移除最近最少被使用的文件,这样把缓存的空间降低至这个限制之下。
  5. inactive 指定了项目在不被访问的情况下能够在内存中保持的时间。在上面的例子中,如果一个文件在 60 分钟之内没有被请求,则缓存管理将会自动将其在内存中删除,不管该文件是否过期。该参数默认值为 10 分钟(10m)。注意,非活动内容有别于过期内容。Nginx 不会自动删除由缓存控制头部指定的过期内容(本例中 Cache-Control:max-age=120)。过期内容只有在 inactive 指定时间内没有被访问的情况下才会被删除。如果过期内容被访问了,那么 Nginx 就会将其从原服务器上刷新,并更新对应的 inactive 计时器。
  6. Nginx 最初会将注定写入缓存的文件先放入一个临时存储区域,use_temp_path=off 命令指示 Nginx 将在缓存这些文件时将它们写入同一个目录下。我们强烈建议你将参数设置为 off 来避免在文件系统中不必要的数据拷贝。use_temp_path 在 Nginx 1.7 版本和 Nginx Plus R6 中有所介绍。

最终,proxy_cache 命令启动缓存那些 URL 与 location 部分匹配的内容(本例中,为 /)。你同样可以将 proxy_cache 命令添加到 server 部分,这将会将缓存应用到所有的那些 location 中未指定自己的 proxy_cache 命令的服务中。

陈旧总比没有强

Nginx 内容缓存的一个非常强大的特性是:当无法从原始服务器获取最新的内容时,Nginx 可以分发缓存中的陈旧(stale,编者注:即过期内容)内容。这种情况一般发生在关联缓存内容的原始服务器宕机或者繁忙时。比起对客户端传达错误信息,Nginx 可发送在其内存中的陈旧的文件。Nginx 的这种代理方式,为服务器提供额外级别的容错能力,并确保了在服务器故障或流量峰值的情况下的正常运行。为了开启该功能,只需要添加 proxy_cache_use_stale 命令即可:

location / {
    ...
    proxy_cache_use_stale error timeout http_500 http_502 http_503 http_504;
}

按照上面例子中的配置,当 Nginx 收到服务器返回的 error,timeout 或者其他指定的 5xx 错误,并且在其缓存中有请求文件的陈旧版本,则会将这些陈旧版本的文件而不是错误信息发送给客户端。

缓存微调

Nginx 提供了丰富的可选项配置用于缓存性能的微调。下面是使用了几个配置的例子:

proxy_cache_path /path/to/cache levels=1:2 keys_zone=my_cache:10m max_size=10g inactive=60m
use_temp_path=off;
server {
    ...
    location / {
        proxy_cache my_cache;
        proxy_cache_revalidate on;
        proxy_cache_min_uses 3;
        proxy_cache_use_stale error timeout updating http_500 http_502 http_503 http_504;
        proxy_cache_lock on;
        proxy_pass http://my_upstream;
    }
}

这些命令配置了下列的行为:

  1. proxy_cache_revalidate 指示 Nginx 在刷新来自服务器的内容时使用 GET 请求。如果客户端的请求项已经被缓存过了,但是在缓存控制头部中定义为过期,那么 Nginx 就会在 GET 请求中包含 If-Modified-Since 字段,发送至服务器端。这项配置可以节约带宽,因为对于 Nginx 已经缓存过的文件,服务器只会在该文件请求头中 Last-Modified 记录的时间内被修改时才将全部文件一起发送。
  2. proxy_cache_min_uses 该指令设置同一链接请求达到几次即被缓存,默认值为 1 。当缓存不断被填满时,这项设置便十分有用,因为这确保了只有那些被经常访问的内容会被缓存。
  3. proxy_cache_use_stale 中的 updating 参数告知 Nginx 在客户端请求的项目的更新正在原服务器中下载时发送旧内容,而不是向服务器转发重复的请求。第一个请求陈旧文件的用户不得不等待文件在原服务器中更新完毕。陈旧的文件会返回给随后的请求直到更新后的文件被全部下载。
  4. proxy_cache_lock 被启用时,当多个客户端请求一个缓存中不存在的文件(或称之为一个 MISS),只有这些请求中的第一个被允许发送至服务器。其他请求在第一个请求得到满意结果之后在缓存中得到文件。如果不启用 proxy_cache_lock,则所有在缓存中找不到文件的请求都会直接与服务器通信。

跨多硬盘分割缓存

使用 Nginx 不需要建立一个 RAID(磁盘阵列)。如果有多个硬盘,Nginx 可以用来在多个硬盘之间分割缓存。下面是一个基于请求 URI 跨越两个硬盘之间均分缓存的例子:

proxy_cache_path /path/to/hdd1 levels=1:2 keys_zone=my_cache_hdd1:10m max_size=10g

inactive=60m use_temp_path=off;
proxy_cache_path /path/to/hdd2 levels=1:2 keys_zone=my_cache_hdd2:10m max_size=10g inactive=60m use_temp_path=off;
split_clients $request_uri $my_cache {
    50% "my_cache_hdd1";
    50% "my_cache_hdd2";
}

server {
    ...
    location / {
        proxy_cache $my_cache;
        proxy_pass http://my_upstream;
    }
}