1. Nginx 简介与核心架构
1.1 Nginx 简介
Nginx (engine x) 是一个高性能的 HTTP 和反向代理服务器，也是一个 IMAP/POP3/SMTP 邮件代理服务器。由 Igor Sysoev 于 2004 年首次发布，其设计目标是解决 C10K 问题，即在一台服务器上同时处理一万个并发连接。Nginx 以其高并发处理能力、低资源消耗和模块化设计而闻名，广泛应用于 Web 服务器、反向代理、负载均衡等场景。
1.1.1 主要特性
高并发处理能力：Nginx 使用异步、非阻塞事件驱动架构，能够高效地处理大量并发连接。
低资源消耗：相对于传统的进程或线程模型，Nginx 使用更少的内存和 CPU 资源。
模块化设计：Nginx 的功能通过模块实现，用户可以根据需求加载不同的模块。
高可扩展性：通过第三方模块和 Lua 脚本，Nginx 能够轻松扩展其功能。
丰富的功能：支持 HTTP/2、反向代理、负载均衡、缓存、SSL/TLS、WebSocket 等。
1.2 核心架构
Nginx 的核心架构设计是其高性能和高可用性的关键。核心架构包括模块化设计、事件驱动模型、Master-Worker 进程模型和高效的请求处理流程。
1.2.1 模块化设计
Nginx 采用模块化设计，核心功能和扩展功能都通过模块实现。模块分为核心模块、标准 HTTP 模块和第三方模块。用户可以根据需要启用或禁用模块，灵活配置 Nginx 的功能。
核心模块：实现 Nginx 的基本功能，如事件处理、内存管理、配置解析等。
标准 HTTP 模块：提供 HTTP 服务的功能，如静态文件服务、反向代理、负载均衡等。
第三方模块：由社区或开发者提供，扩展 Nginx 的功能，如 Lua 模块、Redis 模块等。
# 配置示例：启用和配置 HTTP 模块http { server { listen 80; server_name example.com; location / { root /var/www/html; index index.html index.htm; } location /proxy { proxy_pass http://backend_server; } }}
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1.2.2 事件驱动模型
Nginx 使用异步、非阻塞事件驱动模型，能够高效地处理并发连接。事件驱动模型基于 epoll（Linux）、kqueue（FreeBSD）等高效的 I/O 多路复用机制，实现事件的高效分发和处理。
// 示例：基于 epoll 的事件循环for (;;) { int n = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1); for (int i = 0; i < n; i++) { if (events[i].events & EPOLLIN) { // 处理读事件 } else if (events[i].events & EPOLLOUT) { // 处理写事件 } }}
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1.2.3 Master-Worker 进程模型
Nginx 采用 Master-Worker 进程模型，确保高并发处理能力和高可靠性。Master 进程负责管理 Worker 进程，处理信号和管理共享资源。Worker 进程处理实际的请求，互不干扰，提高了并发处理能力和稳定性。
# 配置示例：设置 Worker 进程数量worker_processes auto;
events { worker_connections 1024;}
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1.2.4 请求处理流程
Nginx 的请求处理流程高度优化，能够高效地处理 HTTP 请求。主要流程包括接收请求、解析请求、选择处理模块、生成响应和发送响应。
# 配置示例：静态文件服务和反向代理http { server { listen 80; server_name example.com;
location / { root /var/www/html; index index.html index.htm; }
location /proxy { proxy_pass http://backend_server; } }}
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2. Nginx 反向代理与负载均衡
2.1 反向代理基础
反向代理服务器在客户端和服务器之间充当中介，接收客户端的请求并将其转发给后端服务器，然后将后端服务器的响应返回给客户端。Nginx 作为反向代理服务器的优势在于其高并发处理能力、灵活的配置和丰富的功能。
2.1.1 反向代理的优势
隐藏后端服务器：反向代理隐藏了后端服务器的真实 IP 和端口，提升了安全性。
负载均衡：反向代理可以将请求分发到多台后端服务器，实现负载均衡。
缓存：反向代理服务器可以缓存后端服务器的响应，减少后端服务器的压力，提高响应速度。
SSL 终止：反向代理服务器可以处理 SSL/TLS 加密，减轻后端服务器的负担。
2.1.2 反向代理配置示例
http { upstream backend { server backend1.example.com; server backend2.example.com; }
server { listen 80; server_name example.com;
location / { proxy_pass http://backend; proxy_set_header Host $host; proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr; proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for; proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme; } }}
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2.2 负载均衡策略
Nginx 支持多种负载均衡策略，能够根据不同的需求选择合适的策略将请求分发到后端服务器。
2.2.1 轮询 (Round Robin)
轮询是 Nginx 的默认负载均衡策略，将请求依次分发到每台后端服务器。该策略简单高效，适用于后端服务器性能均衡的情况。
upstream backend { server backend1.example.com; server backend2.example.com;}
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2.2.2 最少连接 (Least Connections)
最少连接策略将请求分发到当前活动连接数最少的服务器，适用于后端服务器性能不均衡的情况。
upstream backend { least_conn; server backend1.example.com; server backend2.example.com;}
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2.2.3 IP 哈希 (IP Hash)
IP 哈希策略根据客户端 IP 计算哈希值，将同一客户端的请求分发到同一台服务器，适用于需要会话保持的场景。
upstream backend { ip_hash; server backend1.example.com; server backend2.example.com;}
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2.2.4 权重 (Weight)
权重策略为每台服务器设置权重，权重越高，服务器接收到的请求越多，适用于后端服务器性能不均衡且需要手动调整分配比例的情况。
upstream backend { server backend1.example.com weight=3; server backend2.example.com weight=1;}
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2.3 配置实例
下面提供几个反向代理和负载均衡的实际配置示例，以帮助理解和应用这些概念。
2.3.1 基本反向代理配置
server { listen 80; server_name example.com;
location / { proxy_pass http://backend1.example.com; proxy_set_header Host $host; proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr; proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for; proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme; }}
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2.3.2 动静分离配置
动静分离是指将动态请求和静态请求分别处理，以提高效率。Nginx 可以将静态文件请求直接由 Nginx 处理，而将动态请求转发给后端服务器。
server { listen 80; server_name example.com;
location / { proxy_pass http://backend1.example.com; proxy_set_header Host $host; proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr; proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for; proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme; }
location /static/ { root /var/www/html; expires 30d; }}
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2.3.3 负载均衡配置
upstream backend { server backend1.example.com; server backend2.example.com;}
server { listen 80; server_name example.com;
location / { proxy_pass http://backend; proxy_set_header Host $host; proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr; proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for; proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme; }}
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2.4 健康检查
Nginx 还可以对后端服务器进行健康检查，确保请求不会分发到不可用的服务器。通过配置 ngx_http_upstream_module 模块，可以实现简单的健康检查功能。
upstream backend { server backend1.example.com; server backend2.example.com; server backend3.example.com down;}
server { listen 80; server_name example.com;
location / { proxy_pass http://backend; }}
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在此配置中，backend3.example.com 被标记为 down，Nginx 将不会将请求分发到这台服务器。更高级的健康检查可以通过第三方模块如 ngx_http_upstream_check_module 实现。
2.5 高级反向代理配置
2.5.1 缓存配置
Nginx 可以作为缓存服务器，通过缓存后端服务器的响应，减少后端服务器的负担，提升响应速度。
proxy_cache_path /data/nginx/cache levels=1:2 keys_zone=my_cache:10m max_size=10g inactive=60m use_temp_path=off;
server { listen 80; server_name example.com;
location / { proxy_cache my_cache; proxy_pass http://backend; proxy_set_header Host $host; proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr; proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for; proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme; }}
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2.5.2 SSL 终止
Nginx 可以处理 SSL/TLS 加密，解密客户端请求后将其转发给后端服务器，减轻后端服务器的加密负担。
server { listen 443 ssl; server_name example.com;
ssl_certificate /etc/nginx/ssl/nginx.crt; ssl_certificate_key /etc/nginx/ssl/nginx.key;
location / { proxy_pass http://backend; proxy_set_header Host $host; proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr; proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for; proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme; }}
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3. Nginx 性能优化
Nginx 以其高性能和高并发处理能力著称，但在实际应用中，合理的性能优化策略仍能显著提升其性能。本文将详细探讨 Nginx 的性能优化方法，包括配置优化、系统优化、缓存机制和高并发优化。
3.1 配置优化
Nginx 的配置对其性能有着至关重要的影响。合理的配置可以减少资源消耗，提高处理效率。
3.1.1 Worker 进程配置
Nginx 的 worker_processes 参数决定了处理请求的工作进程数量。一般建议将其设置为等于服务器的 CPU 核心数，以充分利用多核 CPU 的并行处理能力。
auto 表示自动检测 CPU 核心数，并设置相应数量的工作进程。
3.1.2 Worker 连接数配置
worker_connections 参数决定了每个工作进程可以处理的最大连接数。为了提高并发处理能力，建议将其设置为尽可能大的值。
events { worker_connections 1024;}
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这个配置表示每个工作进程最多可以处理 1024 个并发连接。
3.1.3 缓存配置
Nginx 提供多种缓存机制，可以缓存后端服务器的响应，减少后端服务器的压力，提高响应速度。常用的缓存机制包括 FastCGI 缓存和代理缓存。
proxy_cache_path /data/nginx/cache levels=1:2 keys_zone=my_cache:10m max_size=10g inactive=60m use_temp_path=off;
server { listen 80; server_name example.com;
location / { proxy_cache my_cache; proxy_pass http://backend; proxy_set_header Host $host; proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr; proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for; proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme; }}
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这个配置创建了一个缓存区域 my_cache，并在反向代理时启用了缓存。
3.2 系统优化
除了 Nginx 的配置优化，对操作系统的优化也能显著提高 Nginx 的性能。
3.2.1 文件描述符限制
Nginx 处理大量并发连接时，需要打开大量的文件描述符。默认的文件描述符限制可能不足，需通过修改系统配置提高限制。
# 临时修改ulimit -n 65535
# 永久修改，编辑 /etc/security/limits.conf* soft nofile 65535* hard nofile 65535
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3.2.2 TCP 连接优化
调整 TCP 连接参数，可以减少网络延迟，提高并发处理能力。
# 调整内核参数，编辑 /etc/sysctl.confnet.core.somaxconn = 65535net.core.netdev_max_backlog = 65535net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 65535net.ipv4.ip_local_port_range = 1024 65535net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30
# 应用配置sysctl -p
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3.3 缓存机制
缓存是提升 Nginx 性能的重要手段。通过缓存机制，Nginx 可以将后端服务器的响应存储在本地，减少后端服务器的负载。
3.3.1 FastCGI 缓存
FastCGI 缓存用于缓存 FastCGI 应用程序的响应，例如 PHP。
fastcgi_cache_path /var/cache/nginx levels=1:2 keys_zone=fastcgi_cache:10m inactive=60m;fastcgi_cache_key "$scheme$request_method$host$request_uri";
server { location ~ \.php$ { fastcgi_pass unix:/var/run/php/php7.4-fpm.sock; fastcgi_index index.php; include fastcgi_params;
fastcgi_cache fastcgi_cache; fastcgi_cache_valid 200 60m; fastcgi_cache_use_stale error timeout invalid_header updating; }}
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3.3.2 代理缓存
代理缓存用于缓存反向代理的响应，减少后端服务器的负载。
proxy_cache_path /data/nginx/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://backend; proxy_set_header Host $host; proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr; proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for; proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme; }}
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3.4 高并发优化
Nginx 在处理高并发连接时，通过异步非阻塞的事件驱动模型，能够高效地处理大量并发连接。以下是一些针对高并发场景的优化策略。
3.4.1 启用 keepalive
keepalive 可以保持客户端和服务器之间的连接，提高连接重用率，减少连接建立和释放的开销。
upstream backend { server backend1.example.com; server backend2.example.com; keepalive 32;}
server { location / { proxy_pass http://backend; proxy_http_version 1.1; proxy_set_header Connection ""; }}
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3.4.2 调整缓冲区大小
调整 Nginx 的缓冲区大小，可以提高大文件传输的效率，减少内存碎片。
http { server { client_body_buffer_size 16K; client_header_buffer_size 1k; large_client_header_buffers 4 16k; output_buffers 1 32k; postpone_output 1460; }}
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3.4.3 启用 Gzip 压缩
启用 Gzip 压缩，可以减少传输的数据量，提高响应速度。
http { gzip on; gzip_types text/plain application/xml; gzip_min_length 1000; gzip_comp_level 5;}
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文章转载自：techlead_krischang
原文链接：https://www.cnblogs.com/xfuture/p/18293295
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