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使用Nginx+Lua开发高性能Web应用

  几乎所有互联网公司,Nginx可以说是标配组件,但是主要场景还是负载均衡、反向代理、代理缓存、限流等场景;而把Nginx作为一个Web容器使用的还不是那么广泛。Nginx的高性能是大家公认的,而Nginx开发主要是以C/C++模块的形式进行,整体学习和开发成本偏高;如果有一种简单的语言来实现Web应用的开发,那么Nginx绝对是把好的瑞士军刀;目前Nginx团队也开始意识到这个问题,开发了nginx:可以在Nginx中使用Java进行动态配置一些变量和动态脚本执行;而目前市面上用的非常成熟的扩展是由章亦春将Lua和Nginx粘合的ngx_lua模块,并且将Nginx核心、LuaJIT、ngx_lua模块、许多有用的Lua库和常用的第三方Nginx模块组合在一起成为OpenResty,这样开发人员就可以安装OpenResty,使用Lua编写脚本,然后部署到Nginx Web容器中运行。从而非常轻松就能开发出高性能的Web服务。

  接下来我们就认识下Nginx、Lua、ngx_lua模块和ngx_lua到底能开发哪些类型的web应用。

  Nginx设计为一个主进程多个工作进程的工作模式,每个进程是单线程来处理多个连接,而且每个工作进程采用了非阻塞I/O来处理多个连接,从而减少了线程上下文切换,从而实现了公认的高性能、高并发;因此在生成环境中会通过把CPU绑定给Nginx工作进程从而提升其性能;另外因为单线程工作模式的特点,内存占用就非常少了。

  Nginx更改配置重启速度非常快,可以毫秒级,而且支持不停止Nginx进行升级Nginx版本、动态重载Nginx配置。

  Nginx模块也是非常多,功能也很强劲,不仅可以作为http负载均衡,Nginx发布1.9.0版本还支持TCP负载均衡,还可以很容易的实现内容缓存、web服务器、反向代理、访问控制等功能。

  Lua是一种轻量级、可嵌入式的脚本语言,这样可以非常容易的嵌入到其他语言中使用。另外Lua提供了协程并发,即以同步调用的方式进行异步执行,从而实现并发,比起回调机制的并发来说代码更容易编写和理解,排查问题也会容易。Lua还提供了闭包机制,函数可以作为First Class Value 进行参数传递,另外其实现了标记清除垃圾收集。

  因为Lua的小巧轻量级,可以在Nginx中嵌入Lua VM,请求的时候创建一个VM,请求结束的时候回收VM。

  ngx_lua是Nginx的一个模块,将Lua嵌入到Nginx中,从而可以使用Lua来编写脚本,这样就可以使用Lua编写应用脚本,部署到Nginx中运行,即Nginx变成了一个Web容器;这样开发人员就可以使用Lua语言开发高性能Web应用了。

  ngx_lua提供了与Nginx交互的很多的API,对于开发人员来说只需要学习这些API就可以进行功能开发,而对于开发web应用来说,如果接触过Servlet的话,其开发和Servlet类似,无外乎就是知道接收请求、参数解析、功能处理、返回响应这几步的API是什么样子的。

  我们可以使用OpenResty来搭建开发环境,OpenResty将Nginx核心、LuaJIT、许多有用的Lua库和Nginx第三方模块打包在一起;这样开发人员只需要安装OpenResty,不需要了解Nginx核心和写复杂的C/C++模块就可以,只需要使用Lua语言进行Web应用开发了。

  这些模块涉及到如mysql数据库、redis、限流、模块渲染等常用功能组件;另外也有很多第三方的ngx_lua组件供我们使用,对于大部分应用场景来说现在生态环境中的组件已经足够多了;如果不满足需求也可以自己去写来完成自己的需求。

  理论上可以使用ngx_lua开发各种复杂的web应用,不过Lua是一种脚本/动态语言,不适合业务逻辑比较重的场景,适合小巧的应用场景,代码行数保持在几十行到几千行。目前见到的一些应用场景:

  web应用:会进行一些业务逻辑处理,甚至进行耗CPU的模板渲染,一般流程:mysql/redis/http获取数据、业务处理、产生JSON/XML/模板渲染内容,比如京东的列表页/商品详情页;

  接入网关:实现如数据校验前置、缓存前置、数据过滤、API请求聚合、AB测试、灰度发布、降级、监控等功能,比如京东的交易大Nginx节点、无线部门正在开发的无线网关、单品页统一服务、实时价格、动态服务;

  如上图,我们首先通过LVS+HAProxy将流量转发给核心Nginx 1和核心Nginx 2,即实现了流量的负载均衡,此处可以使用如轮训、一致性哈希等调度算法来实现负载的转发;然后核心Nginx会根据请求特征如“,转发给相应的业务Nginx节点如单品页Nginx 1。此处为什么分两层呢?

  1、核心Nginx层是无状态的,可以在这一层实现流量分组(内网和外网隔离、爬虫和非爬虫流量隔离)、内容缓存、请求头过滤、故障切换(机房故障切换到其他机房)、限流、防火墙等一些通用型功能;

  2、业务Nginx如单品页Nginx,可以在在业务Nginx实现业务逻辑、或者反向代理到如Tomcat,在这一层可以实现内容压缩(放在这一层的目的是减少核心Nginx的CPU压力,将压力分散到各业务Nginx)、AB测试、降级;即这一层的Nginx跟业务有关联,实现业务的一些通用逻辑。

  不管是核心Nginx还是业务Nginx,都应该是无状态设计,可以水平扩容。

  业务Nginx一般会把请求直接转发给后端的业务应用,如Tomcat、PHP,即将请求内部转发到相应的业务应用;当有的Tomcat出现问题了,可以在这一层摘掉;或者有的业务路径变了在这一层进行rewrite;或者有的后端Tomcat压力太大也可以在这一层降级,减少对后端的冲击;或者业务需要灰度发布时也可以在这一层Nginx上控制。

  所谓单机闭环即所有想要的数据都能从本服务器直接获取,在大多数时候无需通过网络去其他服务器获取。

  2.1、第一张图应用场景是Nginx应用谁也不依赖,比如我们的Cookie白名单应用,其目的是不在白名单中的Cookie将被清理,防止大家随便将Cookie写到jd.om根下;大家访问时,会看到一个的请求用来清理Cookie的;对于这种应用非常简单,不需要依赖数据源,直接单应用闭环即可。

  2.2、第二张图,是读取本机文件系统,如静态资源合并:比如访问,查看源码会发现【link type=text/css rel=stylesheet href=/】这种请求,即多个请求合并为一个发给服务端,服务端进行了文件资源的合并;

  目前有成熟的Nginx模块如nginx-http-concat进行静态资源合并;因为我们使用了OpenResty,那么我们完全可以使用Lua编写程序实现该功能,比如已经有人写了nginx-lua-static-merger来实现这个功能。

  商品页面是由商品框架和其他维度的页面片段(面包屑、相关分类、商家信息、规格参数、商品详情)组成;或者首页是由首页框架和一些页面片段(分类、轮播图、楼层1、楼层N)组成;分维度是因为不同的维度是独立变化的。对于这种静态内容但是需要进行框架内容嵌入的方式,Nginx自带的SSI(Server Side Include)可以很轻松的完成;也可以使用Lua程序更灵活的完成(读取框架、读取页面片段、合并输出)。

  首先接收到商品变更消息,商品页面同步Worker会根据消息维度生成相关的页面推送到Nginx服务器;Nginx应用再通过SSI输出。目前京东商品详情页没有再采用这种架构,具体架构可以参考《构建需求响应式亿级商品详情页》。

  对于首页的架构是类似的,因为其特点(框架变化少,楼层变化较频繁)和个性化的要求,楼层一般实现为异步加载。

  2.3、 第三张图和第二张图的不同处是不再直接读取文件系统,而是读取本机的Redis或者Redis集群或者如SSDB这种持久化存储或者其他存储系统都是可以的,比如直接说的商品页面可以使用SSDB进行存储实现。文件系统一个很大的问题是当多台服务器时需要Worker去写多台服务器,而这个过程可以使用SSDB的主从实现。

  此处可以看到,不管是图二还是图三架构,都需要Worker去进行数据推送;假设本机数据丢了可怎么办?因此实际大部分应用不会是完全单机闭环的,而是会采用如下架构:

  即首先读本机,如果没数据会回源到相应的Web应用从数据源拉取原始数据进行处理。这种架构的大部分场景本机都可以命中数据,只有很少一部分情况会回源到Web应用。如京东的实时价格/动态服务就是采用类似架构。

  单机闭环会遇到如下两个主要问题: 1、数据不一致问题(比如没有采用主从架构导致不同服务器数据不一致);2、遇到存储瓶颈(磁盘或者内存遇到了天花板)。

  解决数据不一致的比较好的办法是采用主从或者分布式集中存储;而遇到存储瓶颈就需要进行按照业务键进行分片,将数据分散到多台服务器。

  即第一步先读取分布式存储(JIMDB是京东的一个分布式缓存/存储系统,类似于Redis);如果不命中则回源到Tomcat集群(其会调用数据库、服务总线获取相关数据)来获取相关数据。可以参考《构建需求响应式亿级商品详情页》来获取更详细的架构实现。

  JIMDB集群会进行多机房主从同步,各自机房读取自己机房的从JIMDB集群,如下图

  接入网关也可以叫做接入层,即接收到流量的入口,在入口我们可以进行如下事情:

  1、动态负载均衡;1、普通流量走一致性哈希,提升命中率;热点流量走轮训减少单服务器压力;2、根据请求特征将流量分配到不同分组并限流(爬虫、或者流量大的IP);3、动态流量(动态增加upstream或者减少upstream或者动态负载均衡)可以使用balancer_by_lua或者微博开源的upsync;

  2、防DDOS攻击限流:可以将请求日志推送到实时计算集群,然后将需要限流的IP推送到核心Nginx进行限流;

  3、非法请求过滤:比如应该有Referer却没有,或者应该带着Cookie却没有Cookie;

  4、请求聚合:比如请求的是,核心接入Nginx会在服务端把Nginx并发的请求并把结果聚合然后一次性吐出;

  5、请求头过滤:有些业务是不需要请求头的,因此可以在往业务Nginx转发时把这些数据过滤掉;

  1、缓存:对于读服务会使用大量的缓存来提升性能,我们在设计时主要有如下缓存应用:首先读取Nginx本地缓存 Shared Dict或者Nginx Proxy Cache,如果有直接返回内容给用户;如果本地缓存不命中,则会读取分布式缓存如Redis,如果有直接返回;如果还是不命中则回源到Tomcat应用读取DB或调用服务获取数据。另外我们会按照维度进行数据的缓存。

  2、业务逻辑:我们会进行一些数据校验/过滤逻辑前置(如商品ID必须是数字)、业务逻辑前置(获取原子数据,然后在Nginx上写业务逻辑)。

  3、细粒度限流:按照接口特征和接口吞吐量来实现动态限流,比如后端服务快扛不住了,那我们就需要进行限流,被限流的请求作为降级请求处理;通过lua-resty-limit-traffic可以通过编程实现更灵活的降级逻辑,如根据用户、根据URL等等各种规则,如降级了是让用户请求等待(比如sleep 100ms,这样用户请求就慢下来了,但是服务还是可用)还是返回降级内容。

  4、降级:降级主要有两种:主动降级和被动降级;如请求量太大扛不住了,那我们需要主动降级;如后端挂了或者被限流了或者后端超时了,那我们需要被动降级。降级方案可以是:1、返回默认数据如库存默认有货;2、返回静态页如预先生成的静态页;3、部分用户降级,告诉部分用户等待下再操作;4、直接降级,服务没数据,比如商品页面的规格参数不展示;5、只降级回源服务,即可以读取缓存的数据返回,实现部分可用,但是不会回源处理;

  5、AB测试/灰度发布:比如要上一个新的接口,可以通过在业务Nginx通过Lua写复杂的业务规则实现不同的人看到不同的版本。

  6、服务质量监控:我们可以记录请求响应时间、缓存响应时间、反向代理服务响应时间来详细了解到底哪块服务慢了;另外记录非200状态码错误来了解服务的可用率。

  京东的交易大Nginx节点、无线部门正在开发的无线Nginx网关、和单品页统一服务都是接入网关的实践,而单品页统一服务架构可以参考《京东商品详情页服务闭环实践》。

  此处所说的Web应用指的是页面模板渲染类型应用或者API服务类型应用;比如京东列表页/商品详情页就是一个模板渲染类型的应用,核心业务逻辑都是使用Lua写的,部署到Nginx容器。目前核心业务代码行数有5000多行,模板页面有2000多行,涉及到大量的计算逻辑,性能数据可以参考《构建需求响应式亿级商品详情页》。

  整体处理过程和普通Web应用没什么区别:首先接收请求并进行解析;然后读取JIMDB集群数据、如果没有则回源到Tomcat获取;然后进行业务逻辑处理;渲染模板;将响应内容返回给用户。

  整个项目结构从启停脚本、配置文件、公共组件、业务代码、模板代码几块进行划分。

  start.sh是启动和更新脚本,即如果nginx没有启动则启动起来,否则reload:

  对于nginx.conf会进行一些通用的配置,如工作进程数、超时时间、压缩、日志格式、反向代理等相关配置;另外需要指定如下配置:

  资源配置文件resources.properties包含了我们的一些比如开关的配置、缓存服务器地址的配置等等。

  模板文件放在/export/App/nginx-app/template/目录下,使用相应的模板引擎进行编写页面模板,然后渲染输出。

  到此一个简单的项目的结构就介绍完了,对于开发一个项目来说还会牵扯到分模块等工作,不过对于我们这种Lua应用来说,建议不要过度抽象,尽量小巧即可。

  开发完成后将项目部署到测试环境,执行start.sh启动nginx然后进行测试。

  详细的开发过程和API的使用,请参考《跟我学Nginx+Lua开发》。此处不做具体编码实现。

  到此我们对于Nginx开发已经有了一个整体的认识,对于Nginx粘合Lua来开发应用可以说是一把锋利的瑞士军刀,可以帮我们很容易的解决很多问题,可以开发Web应用、接入网关、API网关、消息推送、日志采集等应用,不过个人认为适合开发业务逻辑单一、核心代码行数较少的应用,不适合业务逻辑复杂、功能繁多的业务型或者企业级应用;最后我们总结下基于Nginx+Lua的常用架构模式中一些常见实践和场景:

  7、走CDN的业务当发生错误时返回的500/503/302/301等非正常响应不要设置缓存。

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