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用 Nginx + Lua(OpenResty) 開發高性能 Web 應用

02-19

在互聯網公司，Nginx可以說是標配組件，但是主要場景還是負載均衡、反向代理、代理緩存、限流等場景；而把Nginx作為一個Web容器使用的還不是那麼廣泛。Nginx的高性能是大家公認的，而Nginx開發主要是以C/C++模塊的形式進行，整體學習和開發成本偏高；如果有一種簡單的語言來實現Web應用的開發，那麼Nginx絕對是把好的瑞士軍刀；目前Nginx團隊也開始意識到這個問題，開發了nginxScript：可以在Nginx中使用JavaScript進行動態配置一些變數和動態腳本執行；而目前市面上用的非常成熟的擴展是由章亦春將Lua和Nginx粘合的ngx_lua模塊，並且將Nginx核心、LuaJIT、ngx_lua模塊、許多有用的Lua庫和常用的第三方Nginx模塊組合在一起成為OpenResty，這樣開發人員就可以安裝OpenResty，使用Lua編寫腳本，然後部署到Nginx Web容器中運行。從而非常輕鬆就能開發出高性能的Web服務。

接下來我們就認識下Nginx、Lua、ngx_lua模塊和ngx_lua到底能開發哪些類型的web應用。

一、ngx_lua簡介

1、Nginx優點

Nginx設計為一個主進程多個工作進程的工作模式，每個進程是單線程來處理多個連接，而且每個工作進程採用了非阻塞I/O來處理多個連接，從而減少了線程上下文切換，從而實現了公認的高性能、高並發；因此在生成環境中會通過把CPU綁定給Nginx工作進程從而提升其性能；另外因為單線程工作模式的特點，內存佔用就非常少了。

Nginx更改配置重啟速度非常快，可以毫秒級，而且支持不停止Nginx進行升級Nginx版本、動態重載Nginx配置。

Nginx模塊也是非常多，功能也很強勁，不僅可以作為http負載均衡，Nginx發布1.9.0版本還支持TCP負載均衡，還可以很容易的實現內容緩存、web伺服器、反向代理、訪問控制等功能。

2、Lua的優點

Lua是一種輕量級、可嵌入式的腳本語言，這樣可以非常容易的嵌入到其他語言中使用。另外Lua提供了協程並發，即以同步調用的方式進行非同步執行，從而實現並發，比起回調機制的並發來說代碼更容易編寫和理解，排查問題也會容易。Lua還提供了閉包機制，函數可以作為First Class Value 進行參數傳遞，另外其實現了標記清除垃圾收集。

因為Lua的小巧輕量級，可以在Nginx中嵌入Lua VM，請求的時候創建一個VM，請求結束的時候回收VM。

3、什麼是ngx_lua

ngx_lua是Nginx的一個模塊，將Lua嵌入到Nginx中，從而可以使用Lua來編寫腳本，這樣就可以使用Lua編寫應用腳本，部署到Nginx中運行，即Nginx變成了一個Web容器；這樣開發人員就可以使用Lua語言開發高性能Web應用了。

ngx_lua提供了與Nginx交互的很多的API，對於開發人員來說只需要學習這些API就可以進行功能開發，而對於開發web應用來說，如果接觸過Servlet的話，其開發和Servlet類似，無外乎就是知道接收請求、參數解析、功能處理、返迴響應這幾步的API是什麼樣子的。

4、開發環境

我們可以使用OpenResty來搭建開發環境，OpenResty將Nginx核心、LuaJIT、許多有用的Lua庫和Nginx第三方模塊打包在一起；這樣開發人員只需要安裝OpenResty，不需要了解Nginx核心和寫複雜的C/C++模塊就可以，只需要使用Lua語言進行Web應用開發了。

如何安裝可以參考《跟我學Nginx+Lua開發》。

5、OpenResty生態

OpenResty提供了一些常用的ngx_lua開發模塊：如

lua-resty-memcached

lua-resty-mysql

lua-resty-redis

lua-resty-dns

lua-resty-limit-traffic

lua-resty-template

這些模塊涉及到如mysql資料庫、redis、限流、模塊渲染等常用功能組件；另外也有很多第三方的ngx_lua組件供我們使用，對於大部分應用場景來說現在生態環境中的組件已經足夠多了；如果不滿足需求也可以自己去寫來完成自己的需求。

6、場景

理論上可以使用ngx_lua開發各種複雜的web應用，不過Lua是一種腳本/動態語言，不適合業務邏輯比較重的場景，適合小巧的應用場景，代碼行數保持在幾十行到幾千行。目前見到的一些應用場景：

web應用：會進行一些業務邏輯處理，甚至進行耗CPU的模板渲染，一般流程：mysql/redis/http獲取數據、業務處理、產生JSON/XML/模板渲染內容，比如京東的列表頁/商品詳情頁；

接入網關：實現如數據校驗前置、緩存前置、數據過濾、API請求聚合、AB測試、灰度發布、降級、監控等功能，比如京東的交易大Nginx節點、無線部門正在開發的無線網關、單品頁統一服務、實時價格、動態服務；

Web防火牆：可以進行IP/URL/UserAgent/Referer黑名單、限流等功能；

緩存伺服器：可以對響應內容進行緩存，減少到後端的請求，從而提升性能；

其他：如靜態資源伺服器、消息推送服務、縮略圖裁剪等。

二、基於Nginx+Lua的常用架構模式

1、負載均衡

如上圖，我們首先通過LVS+HAProxy將流量轉發給核心Nginx 1和核心Nginx 2，即實現了流量的負載均衡，此處可以使用如輪訓、一致性哈希等調度演算法來實現負載的轉發；然後核心Nginx會根據請求特徵如「Host:item.jd.com」，轉發給相應的業務Nginx節點如單品頁Nginx 1。此處為什麼分兩層呢？

1、核心Nginx層是無狀態的，可以在這一層實現流量分組（內網和外網隔離、爬蟲和非爬蟲流量隔離）、內容緩存、請求頭過濾、故障切換（機房故障切換到其他機房）、限流、防火牆等一些通用型功能；

2、業務Nginx如單品頁Nginx，可以在在業務Nginx實現業務邏輯、或者反向代理到如Tomcat，在這一層可以實現內容壓縮（放在這一層的目的是減少核心Nginx的CPU壓力，將壓力分散到各業務Nginx）、AB測試、降級；即這一層的Nginx跟業務有關聯，實現業務的一些通用邏輯。

不管是核心Nginx還是業務Nginx，都應該是無狀態設計，可以水平擴容。

業務Nginx一般會把請求直接轉發給後端的業務應用，如Tomcat、PHP，即將請求內部轉發到相應的業務應用；當有的Tomcat出現問題了，可以在這一層摘掉；或者有的業務路徑變了在這一層進行rewrite；或者有的後端Tomcat壓力太大也可以在這一層降級，減少對後端的衝擊；或者業務需要灰度發布時也可以在這一層Nginx上控制。

2、單機閉環

所謂單機閉環即所有想要的數據都能從本伺服器直接獲取，在大多數時候無需通過網路去其他伺服器獲取。

如上所示，主要有三種應用模式：

2.1、第一張圖應用場景是Nginx應用誰也不依賴，比如我們的Cookie白名單應用，其目的是不在白名單中的Cookie將被清理，防止大家隨便將Cookie寫到jd.om根下；大家訪問jd.com時，會看到一個ccc.jd.com/cookie_check的請求用來清理Cookie的；對於這種應用非常簡單，不需要依賴數據源，直接單應用閉環即可。

2.2、第二張圖，是讀取本機文件系統，如靜態資源合併：比如訪問item.jd.com/1856584.htm，查看源碼會發現【//misc.360buyimg.com/jdf/1.0.0/unit/??ui-base/1.0.0/ui-base.css,shortcut/2.0.0/shortcut.css,global-header/1.0.0/global-header.css,myjd/2.0.0/myjd.css,nav/2.0.0/nav.css,shoppingcart/2.0.0/shoppingcart.css,global-footer/1.0.0/global-footer.css,service/1.0.0/service.css」/>】這種請求，即多個請求合併為一個發給服務端，服務端進行了文件資源的合併；

目前有成熟的Nginx模塊如nginx-http-concat進行靜態資源合併；因為我們使用了OpenResty，那麼我們完全可以使用Lua編寫程序實現該功能，比如已經有人寫了nginx-lua-static-merger來實現這個功能。

還一些業務型應用場景如下圖所示

商品頁面是由商品框架和其他維度的頁面片段（麵包屑、相關分類、商家信息、規格參數、商品詳情）組成；或者首頁是由首頁框架和一些頁面片段（分類、輪播圖、樓層1、樓層N）組成；分維度是因為不同的維度是獨立變化的。對於這種靜態內容但是需要進行框架內容嵌入的方式，Nginx自帶的SSI（Server Side Include）可以很輕鬆的完成；也可以使用Lua程序更靈活的完成（讀取框架、讀取頁面片段、合併輸出）。

比如商品頁面的架構我們可以這樣：

首先接收到商品變更消息，商品頁面同步Worker會根據消息維度生成相關的頁面推送到Nginx伺服器；Nginx應用再通過SSI輸出。目前京東商品詳情頁沒有再採用這種架構，具體架構可以參考《構建需求響應式億級商品詳情頁》。

對於首頁的架構是類似的，因為其特點（框架變化少，樓層變化較頻繁）和個性化的要求，樓層一般實現為非同步載入。

2.3、 第三張圖和第二張圖的不同處是不再直接讀取文件系統，而是讀取本機的Redis或者Redis集群或者如SSDB這種持久化存儲或者其他存儲系統都是可以的，比如直接說的商品頁面可以使用SSDB進行存儲實現。文件系統一個很大的問題是當多台伺服器時需要Worker去寫多台伺服器，而這個過程可以使用SSDB的主從實現。

此處可以看到，不管是圖二還是圖三架構，都需要Worker去進行數據推送；假設本機數據丟了可怎麼辦？因此實際大部分應用不會是完全單機閉環的，而是會採用如下架構：

即首先讀本機，如果沒數據會回源到相應的Web應用從數據源拉取原始數據進行處理。這種架構的大部分場景本機都可以命中數據，只有很少一部分情況會回源到Web應用。

如京東的實時價格/動態服務就是採用類似架構。

3、分散式閉環

單機閉環會遇到如下兩個主要問題： 1、數據不一致問題（比如沒有採用主從架構導致不同伺服器數據不一致）；2、遇到存儲瓶頸（磁碟或者內存遇到了天花板）。

解決數據不一致的比較好的辦法是採用主從或者分散式集中存儲；而遇到存儲瓶頸就需要進行按照業務鍵進行分片，將數據分散到多台伺服器。

如採用如下架構，按照尾號將內容分布到多台伺服器。

即第一步先讀取分散式存儲（JIMDB是京東的一個分散式緩存/存儲系統，類似於Redis）；如果不命中則回源到Tomcat集群（其會調用資料庫、服務匯流排獲取相關數據）來獲取相關數據。可以參考《構建需求響應式億級商品詳情頁》來獲取更詳細的架構實現。

JIMDB集群會進行多機房主從同步，各自機房讀取自己機房的從JIMDB集群，如下圖

4、接入網關

接入網關也可以叫做接入層，即接收到流量的入口，在入口我們可以進行如下事情：

4.1、核心接入Nginx會做如下事情：

1、動態負載均衡；1、普通流量走一致性哈希，提升命中率；熱點流量走輪訓減少單伺服器壓力；2、根據請求特徵將流量分配到不同分組並限流（爬蟲、或者流量大的IP）；3、動態流量（動態增加upstream或者減少upstream或者動態負載均衡）可以使用balancer_by_lua或者微博開源的upsync；

2、防DDOS攻擊限流：可以將請求日誌推送到實時計算集群，然後將需要限流的IP推送到核心Nginx進行限流；

3、非法請求過濾：比如應該有Referer卻沒有，或者應該帶著Cookie卻沒有Cookie；

4、請求聚合：比如請求的是c.3.cn/proxy?，核心接入Nginx會在服務端把Nginx並發的請求並把結果聚合然後一次性吐出；

5、請求頭過濾：有些業務是不需要請求頭的，因此可以在往業務Nginx轉發時把這些數據過濾掉；

6、緩存服務：使用Nginx Proxy Cache實現內容頁面的緩存；

4.2、業務Nginx會做如下事情：

1、緩存：對於讀服務會使用大量的緩存來提升性能，我們在設計時主要有如下緩存應用：首先讀取Nginx本地緩存 Shared Dict或者Nginx Proxy Cache，如果有直接返回內容給用戶；如果本地緩存不命中，則會讀取分散式緩存如Redis，如果有直接返回；如果還是不命中則回源到Tomcat應用讀取DB或調用服務獲取數據。另外我們會按照維度進行數據的緩存。

2、業務邏輯：我們會進行一些數據校驗/過濾邏輯前置（如商品ID必須是數字）、業務邏輯前置（獲取原子數據，然後在Nginx上寫業務邏輯）。

3、細粒度限流：按照介面特徵和介面吞吐量來實現動態限流，比如後端服務快扛不住了，那我們就需要進行限流，被限流的請求作為降級請求處理；通過lua-resty-limit-traffic可以通過編程實現更靈活的降級邏輯，如根據用戶、根據URL等等各種規則，如降級了是讓用戶請求等待（比如sleep 100ms，這樣用戶請求就慢下來了，但是服務還是可用）還是返回降級內容。

4、降級：降級主要有兩種：主動降級和被動降級；如請求量太大扛不住了，那我們需要主動降級；如後端掛了或者被限流了或者後端超時了，那我們需要被動降級。降級方案可以是：1、返回默認數據如庫存默認有貨；2、返回靜態頁如預先生成的靜態頁；3、部分用戶降級，告訴部分用戶等待下再操作；4、直接降級，服務沒數據，比如商品頁面的規格參數不展示；5、只降級回源服務，即可以讀取緩存的數據返回，實現部分可用，但是不會回源處理；

5、AB測試/灰度發布：比如要上一個新的介面，可以通過在業務Nginx通過Lua寫複雜的業務規則實現不同的人看到不同的版本。

6、服務質量監控：我們可以記錄請求響應時間、緩存響應時間、反向代理服務響應時間來詳細了解到底哪塊服務慢了；另外記錄非200狀態碼錯誤來了解服務的可用率。

京東的交易大Nginx節點、無線部門正在開發的無線Nginx網關、和單品頁統一服務都是接入網關的實踐，而單品頁統一服務架構可以參考《京東商品詳情頁服務閉環實踐》。

5、Web應用

此處所說的Web應用指的是頁面模板渲染類型應用或者API服務類型應用；比如京東列表頁/商品詳情頁就是一個模板渲染類型的應用，核心業務邏輯都是使用Lua寫的，部署到Nginx容器。目前核心業務代碼行數有5000多行，模板頁面有2000多行，涉及到大量的計算邏輯，性能數據可以參考《構建需求響應式億級商品詳情頁》。

整體處理過程和普通Web應用沒什麼區別：首先接收請求並進行解析；然後讀取JIMDB集群數據、如果沒有則回源到Tomcat獲取；然後進行業務邏輯處理；渲染模板；將響應內容返回給用戶。

三、如何使用Nginx+Lua開發Web應用

開發一個Web應用我們需要從項目搭建、功能開發、項目部署幾個層面完成。

3.1、項目搭建

/export/App/nginx-app

-------bin(腳本)

------------start.sh

------------stop.sh

-------config(配置文件)

------------nginx.conf

------------domain

----------------nginx_product.conf

------------resources.properties

-------lua(業務代碼)

------------init.lua

------------product_controller.lua

-------template(模板)

--------------prodoct.html

-------lualib(公共Lua庫)

------------jd

----------------product_util.lua

----------------product_data.lua

------------resty

----------------redis.lua

----------------template.lua

整個項目結構從啟停腳本、配置文件、公共組件、業務代碼、模板代碼幾塊進行劃分。

1、啟停腳本

啟停腳本放在項目目錄/export/App/nginx-app/bin/下。

start.sh是啟動和更新腳本，即如果nginx沒有啟動則啟動起來，否則reload：

ifnginx沒啟動then

sudo/export/servers/nginx/sbin/nginx-t-c/export/App/nginx-app/config/nginx.conf

sudo/export/servers/nginx/sbin/nginx-c/export/App/nginx-app/config/nginx.conf

else

sudo/export/servers/nginx/sbin/nginx-t

sudo/export/servers/nginx/sbin/nginx-sreload

end

stop.sh是停止Nginx腳本：

1

sudo/export/servers/nginx/sbin/nginx-squit

2、配置文件

配置文件放在/export/App/nginx-app/config目錄下，包括了nginx.conf配置文件、nginx項目配置文件和資源配置文件。

nginx.confg配置文件

worker_processes1;

events{

worker_connections1024;

}

http{

includemime.types;

default_typetext/html;

#gzip相關

#超時時間

#日誌格式

#反向代理配置

#lua依賴路徑

lua_package_path"/export/App/nginx-app/lualib/?.lua;;";

lua_package_cpath"/export/App/nginx-app/lualib/?.so;;";

#server配置

include/export/App/nginx-app/config/domains/*;

#初始化腳本

init_by_lua_file"/export/App/nginx-app/lua/init.lua";

}

對於nginx.conf會進行一些通用的配置，如工作進程數、超時時間、壓縮、日誌格式、反向代理等相關配置；另外需要指定如下配置：

lua_package_path、lua_package_cpath指定我們依賴的通用Lua庫從哪裡載入；

include /export/App/nginx-app/config/domains/*：用於載入server相關的配置，此處通過*可以在一個nginx下指定多個server配置；

init_by_lua_file 「/export/App/nginx-app/lua/init.lua」：執行項目的一些初始化配置，比如載入配置文件。

nginx項目配置文件

/export/App/nginx-app/config/domains/nginx_product.conf用於配置當前web應用的一些server相關的配置：

#upstream

upstreamitem_http_upstream{

server192.168.1.1max_fails=2fail_timeout=30sweight=5;

server192.168.1.2max_fails=2fail_timeout=30sweight=5;

}

#緩存

lua_shared_dictitem_local_shop_cache600m;

server{

listen80;

server_nameitem.jd.comitem.jd.hk;

#模板文件從哪載入

set$template_root"/export/App/nginx-app/template ";

#url映射

location~*"^/product/(d+).html$"{

rewrite/product/(.*)http://item.jd.com/$1 permanent;

}

location~*"^/(d{6,12}).html$"{

default_typetext/html;

charsetgbk;

lua_code_cacheon;

content_by_lua_file"/export/App/nginx-app/lua/product_controller.lua";

}

}

我們需要指定如upstream、共享字典配置、server配置、模板文件從哪載入、url映射，比如我們訪問item.jd.com/1856584.htm將交給/export/App/nginx-app/lua/product_controller.lua處理；也就是說我們項目的入口就有了。

資源配置文件resources.properties包含了我們的一些比如開關的配置、緩存伺服器地址的配置等等。

3、業務代碼

/export/App/nginx-app/lua/目錄里存放了我們的lua業務代碼，init.lua用於讀取如resources.properties來進行一些項目初始化；product_controller.lua可以看成Java Web中的Servlet，接收、處理、響應用戶請求。

4、模板

模板文件放在/export/App/nginx-app/template/目錄下，使用相應的模板引擎進行編寫頁面模板，然後渲染輸出。

5、公共Lua庫

存放了一些如redis、template等相關的公共Lua庫，還有一些我們項目中通用的工具庫如product_util.lua。

到此一個簡單的項目的結構就介紹完了，對於開發一個項目來說還會牽扯到分模塊等工作，不過對於我們這種Lua應用來說，建議不要過度抽象，盡量小巧即可。

3.2、功能開發

接下來就需要使用相應的API來實現我們的業務了，比如product_controller.lua：

--載入Lua模塊庫

localtemplate=require("resty.template")

--1、獲取請求參數中的商品ID

localskuId=ngx.req.get_uri_args()["skuId"];

--2、調用相應的服務獲取數據

localdata=api.getData(skuId)

--3、渲染模板

localfunc=template.compile("product.html")

localcontent=func(data)

--4、通過ngxAPI輸出內容

ngx.say(content)

開發完成後將項目部署到測試環境，執行start.sh啟動nginx然後進行測試。

詳細的開發過程和API的使用，請參考《跟我學Nginx+Lua開發》。此處不做具體編碼實現。

參考源碼：Nginx+Lua(OpenResty) HelloWorld

四、基於Nginx+Lua的常用功能總結

到此我們對於Nginx開發已經有了一個整體的認識，對於Nginx粘合Lua來開發應用可以說是一把鋒利的瑞士軍刀，可以幫我們很容易的解決很多問題，可以開發Web應用、接入網關、API網關、消息推送、日誌採集等應用，不過個人認為適合開發業務邏輯單一、核心代碼行數較少的應用，不適合業務邏輯複雜、功能繁多的業務型或者企業級應用；最後我們總結下基於Nginx+Lua的常用架構模式中一些常見實踐和場景：

動態負載均衡；

防火牆（DDOS、IP/URL/UserAgent/Referer黑名單、防盜鏈等）；

限流；

降級；

AB測試/灰度發布；

多級緩存模式；

服務端請求聚合；

服務質量監控。

一些問題

1、在開發nginx應用時使用UTF-8編碼可以減去很多麻煩；

2、GBK轉碼解碼時使用GB18030，否則一些特殊字元會出現亂碼；

3、cjson庫對於如uab1這種錯誤的unicode轉碼會失敗，可以使用純Lua編寫的dkjson；

4、社區版nginx不支持upstream的域名動態解析；可以考慮proxy_pass http://p.3.local/prices/mgets$is_args$args，然後配合resolver來實現；或者在lua中進行http調用；如果DNS遇到性能瓶頸可以考慮在本機部署如dnsmasq來緩存；或者考慮使用balancer_by_lua功能實現動態upstream；

5、為響應添加處理伺服器IP的響應頭，方便定位問題；

6、根據業務設置合理的超時時間；

7、走CDN的業務當發生錯誤時返回的500/503/302/301等非正常響應不要設置緩存。


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