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深入浅出 -- 系统架构之负载均衡Nginx缓存机制

一、Nginx缓存机制

   对于性能优化而言,缓存是一种能够大幅度提升性能的方案,因此几乎可以在各处都能看见缓存,如客户端缓存、代理缓存、服务器缓存等等,Nginx的缓存则属于代理缓存的一种。对于整个系统而言,加入缓存带来的优势额外明显:

  • 减少了再次向后端或文件服务器请求资源的带宽消耗。
  • 降低了下游服务器的访问压力,提升系统整体吞吐。
  • 缩短了响应时间,提升了加载速度,打开页面的速度更快。

那么在Nginx中,又该如何配置代理缓存呢?先来看看缓存相关的配置项:

  • proxy_cache_path:代理缓存的路径。
    • 语法:proxy_cache_path path [levels=levels] [use_temp_path=on|off] keys_zone=name:size [inactive=time] [max_size=size] [manager_files=number] [manager_sleep=time] [manager_threshold=time] [loader_files=number] [loader_sleep=time] [loader_threshold=time] [purger=on|off] [purger_files=number] [purger_sleep=time] [purger_threshold=time];
    • 是的,你没有看错,就是这么长....,解释一下每个参数项的含义:
      • path:缓存的路径地址。
      • levels:缓存存储的层次结构,最多允许三层目录。
      • use_temp_path:是否使用临时目录。
      • keys_zone:指定一个共享内存空间来存储热点Key(1M可存储8000Key)。
      • inactive:设置缓存多长时间未被访问后删除(默认是十分钟)。
      • max_size:允许缓存的最大存储空间,超出后会基于LRU算法移除缓存,Nginx会创建一个Cache manager的进程移除数据,也可以通过purge方式。
      • manager_filesmanager进程每次移除缓存文件数量的上限。
      • manager_sleepmanager进程每次移除缓存文件的时间上限。
      • manager_thresholdmanager进程每次移除缓存后的间隔时间。
      • loader_files:重启Nginx载入缓存时,每次加载的个数,默认100
      • loader_sleep:每次载入时,允许的最大时间上限,默认200ms
      • loader_threshold:一次载入后,停顿的时间间隔,默认50ms
      • purger:是否开启purge方式移除数据。
      • purger_files:每次移除缓存文件时的数量。
      • purger_sleep:每次移除时,允许消耗的最大时间。
      • purger_threshold:每次移除完成后,停顿的间隔时间。
  • proxy_cache:开启或关闭代理缓存,开启时需要指定一个共享内存区域。
    • 语法:proxy_cache zone | off;
      • zone为内存区域的名称,即上面中keys_zone设置的名称。
  • proxy_cache_key:定义如何生成缓存的键。
    • 语法:proxy_cache_key string;
      • string为生成Key的规则,如$scheme$proxy_host$request_uri
  • proxy_cache_valid:缓存生效的状态码与过期时间。
    • 语法:proxy_cache_valid [code ...] time;
      • code为状态码,time为有效时间,可以根据状态码设置不同的缓存时间。
      • 例如:proxy_cache_valid 200 302 30m;
  • proxy_cache_min_uses:设置资源被请求多少次后被缓存。
    • 语法:proxy_cache_min_uses number;
      • number为次数,默认为1
  • proxy_cache_use_stale:当后端出现异常时,是否允许Nginx返回缓存作为响应。
    • 语法:proxy_cache_use_stale error;
      • error为错误类型,可配置timeout|invalid_header|updating|http_500...
  • proxy_cache_lock:对于相同的请求,是否开启锁机制,只允许一个请求发往后端。
    • 语法:proxy_cache_lock on | off;
  • proxy_cache_lock_timeout:配置锁超时机制,超出规定时间后会释放请求。
    • proxy_cache_lock_timeout time;
  • proxy_cache_methods:设置对于那些HTTP方法开启缓存。
    • 语法:proxy_cache_methods method;
      • method为请求方法类型,如GET、HEAD等。
  • proxy_no_cache:定义不存储缓存的条件,符合时不会保存。
    • 语法:proxy_no_cache string...;
      • string为条件,例如$cookie_nocache $arg_nocache $arg_comment;
  • proxy_cache_bypass:定义不读取缓存的条件,符合时不会从缓存中读取。
    • 语法:proxy_cache_bypass string...;
      • 和上面proxy_no_cache的配置方法类似。
  • add_header:往响应头中添加字段信息。
    • 语法:add_header fieldName fieldValue;
  • $upstream_cache_status:记录了缓存是否命中的信息,存在多种情况:
    • MISS:请求未命中缓存。
    • HIT:请求命中缓存。
    • EXPIRED:请求命中缓存但缓存已过期。
    • STALE:请求命中了陈旧缓存。
    • REVALIDDATEDNginx验证陈旧缓存依然有效。
    • UPDATING:命中的缓存内容陈旧,但正在更新缓存。
    • BYPASS:响应结果是从原始服务器获取的。
    • PS:这个和之前的不同,之前的都是参数项,这个是一个Nginx内置变量。

OK~,对于Nginx中的缓存配置项大概了解后,接着来配置一下Nginx代理缓存:

http{# 设置缓存的目录,并且内存中缓存区名为hot_cache,大小为128m,# 三天未被访问过的缓存自动清楚,磁盘中缓存的最大容量为2GB。proxy_cache_path /soft/nginx/cache levels=1:2 keys_zone=hot_cache:128m inactive=3d max_size=2g;server{location / {# 使用名为nginx_cache的缓存空间proxy_cache hot_cache;# 对于200、206、304、301、302状态码的数据缓存1天proxy_cache_valid 200 206 304 301 302 1d;# 对于其他状态的数据缓存30分钟proxy_cache_valid any 30m;# 定义生成缓存键的规则(请求的url+参数作为key)proxy_cache_key $host$uri$is_args$args;# 资源至少被重复访问三次后再加入缓存proxy_cache_min_uses 3;# 出现重复请求时,只让一个去后端读数据,其他的从缓存中读取proxy_cache_lock on;# 上面的锁超时时间为3s,超过3s未获取数据,其他请求直接去后端proxy_cache_lock_timeout 3s;# 对于请求参数或cookie中声明了不缓存的数据,不再加入缓存proxy_no_cache $cookie_nocache $arg_nocache $arg_comment;# 在响应头中添加一个缓存是否命中的状态(便于调试)add_header Cache-status $upstream_cache_status;}}
}

接着来看一下效果,如下:

第一次访问时,因为还没有请求过资源,所以缓存中没有数据,因此没有命中缓存。第二、三次,依旧没有命中缓存,直至第四次时才显示命中,这是为什么呢?因为在前面的缓存配置中,我们配置了加入缓存的最低条件为:资源至少要被请求三次以上才会加入缓存。 这样可以避免很多无效缓存占用空间。

缓存清理

   当缓存过多时,如果不及时清理会导致磁盘空间被“吃光”,因此我们需要一套完善的缓存清理机制去删除缓存,在之前的proxy_cache_path参数中有purger相关的选项,开启后可以帮我们自动清理缓存,但遗憾的是:purger系列参数只有商业版的NginxPlus才能使用,因此需要付费才可使用。

不过天无绝人之路,我们可以通过强大的第三方模块ngx_cache_purge来替代,先来安装一下该插件:
①首先去到Nginx的安装目录下,创建一个cache_purge目录:

 
[root@localhost]# mkdir cache_purge && cd cache_purge

②通过wget指令从github上拉取安装包的压缩文件并解压:

 
[root@localhost]# wget https://github.com/FRiCKLE/ngx_cache_purge/archive/2.3.tar.gz
[root@localhost]# tar -xvzf 2.3.tar.gz

③再次去到之前Nginx的解压目录下:

[root@localhost]# cd /soft/nginx/nginx1.21.6

④重新构建一次Nginx,通过--add-module的指令添加刚刚的第三方模块:

 
[root@localhost]# ./configure --prefix=/soft/nginx/ --add-module=/soft/nginx/cache_purge/ngx_cache_purge-2.3/

⑤重新根据刚刚构建的Nginx,再次编译一下,但切记不要make install

 
[root@localhost]# make

⑥删除之前Nginx的启动文件,不放心的也可以移动到其他位置:

 
[root@localhost]# rm -rf /soft/nginx/sbin/nginx

⑦从生成的objs目录中,重新复制一个Nginx的启动文件到原来的位置:

 
[root@localhost]# cp objs/nginx /soft/nginx/sbin/nginx

至此,第三方缓存清除模块ngx_cache_purge就安装完成了,接下来稍微修改一下nginx.conf配置,再添加一条location规则:

 
location ~ /purge(/.*) {# 配置可以执行清除操作的IP(线上可以配置成内网机器)# allow 127.0.0.1; # 代表本机allow all; # 代表允许任意IP清除缓存proxy_cache_purge $host$1$is_args$args;
}

然后再重启Nginx,接下来即可通过http://xxx/purge/xx的方式清除缓存。

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