张开涛：NginxHTTP缓存设置

Nginx提供了expires、etag、if-modified-since指令来实现浏览器缓存控制。

一、expires

如果我们使用Nginx作为静态资源服务器，那么可以使用expires进行缓存控制。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. location /img { 
    2.   
  
  
  
  2.        alias /export/img/; 
    3.   
  
  
  
  3.        expires 1d; 
    4.   
  
  
  
  4.      } 
    5.

当我们访问静态资源时，如http://192.168.61.129/img/1.jpg，将得到类似如下的响应头。

对于静态资源会自动添加ETag，可以通过添加etag off指令禁止生成ETag。如果是静态文件，那么Last-Modified值为文件的***修改时间。Expires是根据当前服务器系统时间算出来的。如上Nginx配置的计算逻辑(实际计算逻辑比这个多，具体参考官方文档)。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. if (expires == NGX_HTTP_EXPIRES_ACCESS||r->headers_out.last_modified_ time == -1) { 
    2.   
  
  
  
  2.    max_age = expires_time; 
    3.   
  
  
  
  3.    expires_time += now; 
    4.   
  
  
  
  4. } 
    5.

二、if-modified-since

此指令用于指定Nginx如何拿服务端的Last-Modified和浏览器端的if-modified- since时间进行比较，默认“if_modified_since exact”表示精确匹配，也可以使用“if_modified_since _before”表示只要文件的***修改时间早于或等于浏览器端的if-modified-since时间，就返回304。

三、nginx proxy_pass

使用Nginx作为反向代理时，请求会先进入Nginx，然后Nginx将请求转发给后端应用，如下图所示。

首先配置upstream。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. upstream backend_tomcat { 
    2.   
  
  
  
  2.    server 192.168.61.1:9080max_fails=10 fail_timeout=10s weight=5; 
    3.   
  
  
  
  3. } 
    4.

接着配置location。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. location = /cache { 
    2.   
  
  
  
  2.    proxy_pass http://backend_tomcat/cache$is_args$args; 
    3.   
  
  
  
  3. } 
    4.

接下来，我们可以通过如http://192.168.61.129/cache?millis=1471349916709访问Nginx，Nginx会将请求转发给后端Java应用。也就是说Nginx只是做了相关的转发(负载均衡)，并没有对请求和响应做什么处理。

假设对后端返回的过期时间需要调整，可以添加Expires指令到location。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. location = /cache { 
    2.   
  
  
  
  2.    proxy_pass http://backend_tomcat/cache$is_args$args; 
    3.   
  
  
  
  3.    expires 5s; 
    4.   
  
  
  
  4. } 
    5.

然后再请求相关的URL，将得到如下响应。

过期时间相关的响应头被Expires指令更改了，但是last-modified是没有变的。

即使我们更改了缓存过期头，但Nginx自己没有对这些内容做代理层缓存，每次请求还是要到后端验证的，假设在过期时间内，这些验证在Nginx这一层验证就可以了，不需要到后端验证，这样可以减少后端很大的压力。即整体流程如下。

1.浏览器发起请求，首先到Nginx，Nginx根据URL在Nginx本地查找是否有代理层本地缓存。

2.Nginx没有找到本地缓存，则访问后端获取***的文档，并放入到Nginx本地缓存中，返回200状态码和***的文档给浏览器。

3.Nginx找到本地缓存，首先验证文档是否过期(Cache-Control:max-age=5)，如果过期，则访问后端获取***的文档，并放入Nginx本地缓存中，返回200状态码和***的文档给浏览器;如果文档没有过期，即if-modified-since与缓存文档的last-modified匹配，则返回304状态码给浏览器。

内容不需要访问后端，即不需要后端动态计算/渲染等，直接Nginx代理层就把内容返回了，速度更快，内容越接近于用户速度越快。像ApacheTraffic Server、Squid、Varnish、Nginx等技术都可以用来进行内容缓存。还有CDN技术就是用来加速用户访问的。

即用户首先访问到全国各地的CDN节点(使用如ATS、Squid实现)，如果CDN没***，则会回源到中央Nginx集群，该集群做二级缓存，如果没有***缓存(该集群的缓存不是必须的，要根据实际***情况等决定)，则***回源到后端应用集群。

像我们商品详情页的一些服务就大量使用了Nginx缓存减少回源到后端的请求量，从而提升访问速度。可以参考 “ 构建需求响应式亿级商品详情页”和“ 京东商品详情页服务闭环实践”。

四、Nginx代理层缓存

1. Nginx代理层缓存配置

HTTP模块配置

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. proxy_buffering                  on; 
    2.   
  
  
  
  2. proxy_buffer_size                4k; 
    3.   
  
  
  
  3. proxy_buffers                    5124k; 
    4.   
  
  
  
  4. proxy_busy_buffers_size          64k; 
    5.   
  
  
  
  5. proxy_cache_path                 /export/cache/proxy_cachelevels=1:2 keys_zone=cache:512m inactive=5m max_size=8g use_temp_path=off; 
    6.   
  
  
  
  6. #proxy timeout 
    7.   
  
  
  
  7. proxy_connect_timeout            3s; 
    8.   
  
  
  
  8. proxy_read_timeout               5s; 
    9.   
  
  
  
  9. proxy_send_timeout               5s; 
    10.

proxy_cache_path指令配置：

  • levels=1:2：表示创建两级目录结构，缓存目录的***级目录是1个字符，第二级目录是2个字符，比如/export/cache/proxy_cache/7/3c/，如果将所有文件放在一级目录下的话，文件量很大，会导致文件访问慢。
  • keys_zone=cache:512m ：设置存储所有缓存key和相关信息的共享内存区，1M大约能存储8000个key。
  • inactive=5m ：inactive指定被缓存的内容多久不被访问将从缓存中移除，以保证内容的新鲜，默认为10分钟。
  • max_size=8g ：***缓存阀值，“cache manager”进程会监控***缓存大小，当缓存达到该阀值时，该进程将从缓存中移除最近最少访问的内容。
  • use_temp_path：如果为on，则内容首先被写入临时文件(proxy_temp_path )，然后重命名到proxy_cache_path指定的目录;如果设置为off，则内容直接被写入到proxy_cache_path指定的目录，如果需要cache建议off，则该特性是1.7.10提供的。

2. location配置

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. location = /cache { 
    2.   
  
  
  
  2.      proxy_cache cache; 
    3.   
  
  
  
  3.      proxy_cache_key$scheme$proxy_host$request_uri; 
    4.   
  
  
  
  4.      proxy_cache_valid 200 5s; 
    5.   
  
  
  
  5.      proxy_passhttp://backend_tomcat/cache$is_args$args; 
    6.   
  
  
  
  6.     add_header cache-status$upstream_cache_status; 
    7.   
  
  
  
  7. } 
    8.

3. 缓存相关配置

  • proxy_cache：指定使用哪个共享内存区存储缓存信息。
  • proxy_cache_key ：设置缓存使用的key，默认为完整的访问URL，根据实际情况设置缓存key。
  • proxy_cache_valid ：为不同的响应状态码设置缓存时间。如果是proxy_cache_valid5s，则200、301、302响应都将被缓存。

4. proxy_cache_valid不是唯一设置缓存时间的，还可以通过如下方式(优先级从上到下)。

  • 以秒为单位的“X-Accel-Expires”响应头来设置响应缓存时间。
  • 如果没有“X-Accel-Expires”，则可以根据“Cache-Control”、“Expires”来设置响应缓存时间。
  • 否则，使用proxy_cache_valid设置缓存时间。

如果响应头包含Cache-Control：private/no-cache/no-store、Set-Cookie或者只有一个Vary响应头且其值为*，则响应内容将不会被缓存。可以使用proxy_ignore_headers来忽略这些响应头。

add_header cache-status $upstream_cache_status在响应头中添加缓存***的状态。

  • HIT：缓存***，直接返回缓存中内容，不回源到后端。
  • MISS：缓存未***，回源到后端获取***的内容。
  • EXPIRED：缓存***但过期了，回源到后端获取***的内容。
  • UPDATING：缓存已过期但正在被别的Nginx Worker进程更新，配置了proxy_cache_use_stale updating指令时会存在该状态。
  • STALE：缓存已过期，但因后端服务出现了问题(比如后端服务挂了)返回过期的响应，配置了如proxy_cache_use_stale error timeout指令后会出现该状态。
  • REVALIDATED：启用proxy_cache_revalidate指令后，当缓存内容过期时，Nginx通过一次if-modified-since的请求头去验证缓存内容是否过期，此时会返回该状态。
  • BYPASS：proxy_cache_bypass指令有效时，强制回源到后端获取内容，即使已经缓存了。

5. proxy_cache_min_uses

用于控制请求多少次后响应才被缓存。默认“proxy_cache_min_uses1;”，如果缓存热点比较集中、存储有限，则可以通过修改该参数来来减少缓存数量和写磁盘次数。

6. proxy_no_cache

用于控制什么情况下响应不被缓存。比如配置“proxy_no_cache$args_nocache”，如果带的nocache参数值至少有一个不为空或者为0，则响应将不被缓存。

7. proxy_cache_bypass

类似于proxy_no_cache，但是，其控制什么情况不使用缓存的内容，而是直接到后端获取***的内容。如果***，则$upstream_cache_status为BYPASS。

8. proxy_cache_use_stale

当对缓存内容的过期时间不敏感，或者后端服务出问题时，即使缓存的内容不新鲜也总比返回错误给用户强(类似于托底)，此时可以配置该参数，如“proxy_cache_use_stale error timeout http_500 http_502 http_503 http_504”，即如果出现超时、后端连接出错、500、502、503等错误时，则即使缓存内容已过期也先返回给用户，此时$upstream_cache_status为STALE。还有一个updating表示缓存已过期但正在被别的Nginx Worker进程更新，但先返回了过期内容，此时$upstream_cache_status为UPDATING。

9. proxy_cache_revalidate

当缓存过期后，如果开启了proxy_cache_revalidate，则会发出一次if-modified-since或if-none-match条件请求，如果后端返回304，则此时$upstream_cache_status为REVALIDATED，我们将得到两个好处，节省带宽和减少写磁盘的次数。

10. proxy_cache_lock

当多个客户端同时请求同一份内容时，如果开启proxy_cache_lock(默认off)，则只有一个请求被发送至后端。其他请求将等待该请求的返回。当***个请求返回后，其他相同请求将从缓存中获取内容返回。当***个请求超过了proxy_cache_lock_timeout超时时间(默认为5s)，则其他请求将同时请求到后端来获取响应，且响应不会被缓存(在1.7.8版本之前是被缓存的)。启用proxy_cache_lock可以应对Dog-pile effect(当某个缓存失效时，同时有大量相同的请求没***缓存，而同时请求到后端，从而导致后端压力太大，此时限制一个请求去拿即可)。

proxy_cache_lock_age是1.7.8新添加的，如果在proxy_cache_lock_age指定的时间内(默认为5s)，***一个发送到后端进行新缓存构建的请求还没有完成，则下一个请求将被发送到后端来构建缓存(因为1.7.8版本之后，proxy_cache_lock_timeout超时之后返回的内容是不缓存的，需要下一次请求来构建响应缓存)。

五、清理缓存

有时缓存的内容是错误的，需要手工清理，Nginx企业版提供了purger功能，对于社区版Nginx可以考虑使用ngx_cache_purge(https://github.com/FRiCKLE/ngx_cache_purge)模块进行清理缓存。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. location ~ /purge(/.*) { 
    2.   
  
  
  
  2.    allow             127.0.0.1; 
    3.   
  
  
  
  3.    deny              all; 
    4.   
  
  
  
  4.    proxy_cache_purge cache$1$is_args$args; 
    5.   
  
  
  
  5. } 
    6.

该方法要限制其访问权限，如只允许内网可以访问或者需要密码才能访问。

到此代理层缓存就介绍完了，通过代理层缓存可以解决很多问题，可以参考“京东商品详情页服务闭环实践”。

【本文是专栏作者张开涛的原创文章，作者微信公众号：开涛的博客( kaitao-1234567)】

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