NGINX缓存使用指南

Posted 2023-03-07 岬淢箫声

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了NGINX缓存使用指南相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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，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。这篇文章，通过几个例子来讲述如何使用nginx缓存，此外，结尾处还列举了一些常见问题及解答。

基础

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。

下一部分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_path和proxy_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NGINX1.7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设置了在NGINX缓存前，客户端请求一个条目的最短时间。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才会被添加到缓存中。该项默认值为1。

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.当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;

上例中的两个proxy_cache_path定义了两个缓存（my_cache_hdd1和my_cache_hd22）分属两个不同的硬盘。split_clients配置部分指定了请求结果的一半在my_cache_hdd1中缓存，另一半在my_cache_hdd2中缓存。基于$request_uri（请求URI）变量的哈希值决定了每一个请求使用哪一个缓存，对于指定URI的请求结果通常会被缓存在同一个缓存中。

常见问题解答

这部分内容回答了一些关于NGINX内容缓存的常见问题。

可以检测NGINX缓存状态吗？

可以，使用add_header指令：

add_header X-Cache-Status $upstream_cache_status;

上面的例子中，在对客户端的响应中添加了一个`X-Cache-Status`HTTP响应头，下面是$upstream_cache_status的可能值：

MISS——响应在缓存中找不到，所以需要在服务器中取得。这个响应之后可能会被缓存起来。
BYPASS——响应来自原始服务器而不是缓存，因为请求匹配了一个proxy_cache_bypass（见下面我可以在缓存中打个洞吗？）。这个响应之后可能会被缓存起来。
EXPIRED——缓存中的某一项过期了，来自原始服务器的响应包含最新的内容。
STALE——内容陈旧是因为原始服务器不能正确响应。需要配置proxy_cache_use_stale。
UPDATING——内容过期了，因为相对于之前的请求，响应的入口（entry）已经更新，并且proxy_cache_use_stale的updating已被设置。
REVALIDATED——proxy_cache_revalidate命令被启用，NGINX检测得知当前的缓存内容依然有效（If-Modified-Since或者If-None-Match）。
HIT——响应包含来自缓存的最新有效的内容。

NGINX 如何决定是否缓存？

默认情况下，NGINX需要考虑从原始服务器得到的Cache-Control标头。当在响应头部中Cache-Control被配置为Private，No-Cache，No-Store或者Set-Cookie，NGINX不进行缓存。NGINX仅仅缓存GET和HEAD客户端请求。你也可以参照下面的解答覆盖这些默认值。