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使用 NGINX 进行微程序缓存的好处

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【编者按】本文作者为 Owen Garrett，主要介绍使用 nginx 进行微程序缓存的好处，辅之以生动的实例。文章系国内 ITOM 管理平台 OneAPM 编译呈现。

NGINX 和 NGINX Plus 被广泛应用于网站内容缓存，小到个人网站，大到一些世界大型内容分发网站（CDNs），例如 MaxCDN 和 CloudFlare。

微程序缓存通过将动态、非个人化的内容缓存很短的时间，能有效加速这些内容的传递。在本文中，笔者将展示如何利用微程序缓存技术将一个基于 WordPress 的应用程序最高提速400倍。

为什么要缓存内容？

缓存能够一举两得：通过更快地传递内容，缓存可以改善网站性能，同时减轻源服务器的负担。缓存的效率取决于内容的缓存度。这些内容可以存储多长时间，如何检查更新，相同的缓存内容可以发给多少用户？

缓存 静态内容 ，例如图片、JavaScript 和 CSS 文件和几乎不变的网页内容是个相当简单的过程。缓存更新的处理方法包括常规暂停、条件 Get，如果有必要，还可以用cache-busting技术来替换引用对象的URL。

缓存 个人化内容 （即通过服务器应用为每位用户定制的内容）几乎不可能，因为服务器对同一资源的每次请求的回复都不相同。服务器端引用（SSI）和页面片段缓存（ESI）等技术可以协助组合网页，但是这些技术很难实行，而且不一定能改善性能。

两者中间是个有趣的待缓存对象：可能会无计划更换，但是并非针对每位用户（或者在客户端通过 JavaScript实现个性化）的 动态内容 。这类内容的生成代价很高，提供过时版本又会带来新的问题。

适合缓存的动态内容包括：

  • 经常更新的新闻或博客网站的首页，每隔几秒就有新文章发布
  • 最近资讯 RSS
  • 持续整合（CI）或搭建平台的进度页面
  • 库存、进度或筹款计数
  • 彩票开奖结果
  • 日历数据
  • 在客户端呈现的个人化动态内容，例如利用 cookie 数据展示的广告内容或数据（“你好，你的名字”）

动态内容的微程序缓存

微程序缓存是一种缓存技术，将内容缓存1秒左右很短的时间。这意味着网站更新会延迟不到1秒钟，这在很多情况下是可以接受的。

这种短暂缓存能给网站性能带来可察觉的改观吗？来试试看！

测试应用程序

在本次测试中，笔者用的是标准 WordPress 设置，并填充了一些样本内容。

显然，即便是处理基本内容，WordPress 服务器也存在性能问题：以 ab 为基准时，它一秒钟只能服务5.53个请求： 

root@nginx-client:~## ab -c 10 -t 30 -k http://nginx-server/

Requests per second:    5.53 [#/sec] (mean)

Time per request:       1809.260 [ms] (mean)

Time per request:       180.926 [ms] (mean, across all concurrent requests)

Transfer rate:          319.74 [Kbytes/sec] received

Connection Times (ms)

              min  mean[+/-sd] median   max

Connect:        0    0   0.3      0       3

Processing:  1430 1735 259.4   1580    2228

Waiting:      537  683 119.7    624     980

Total:       1430 1735 259.4   1580    2228

测试中，vmstat 显示造成瓶颈的原因是利用 PHP 生成页面的 CPU 消耗（在 cpu 范围的 us 一列，数值为96到98。） 

root@nginx-server:/var/www/html## vmstat 3

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----

 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st

10  0      0 136076  44944 585920    0    0     0     0  476 1665 96  4  0  0  0

10  0      0 140112  44952 585924    0    0     0     4  506 1773 98  2  0  0  0

10  0      0 136208  44952 585924    0    0     0     0  576 2057 97  3  0  0  0

热门使用量显示，CPU 被10个执行 PHP 解释器的 Apache httpd 进程占用。

这种设置本身就是问题——它限制了网站每秒钟处理请求的数量不能超过5个，很容易遭到 DOS攻击，而通过添加 CPU 来解决这个问题意味着每年的托管费用都要增加1000美元。

利用 NGINX 简化微程序缓存

利用 NGINX 来加速服务只需两步。

第一步： 通过 NGINX 代理服务器

在 WordPress 服务器安装 NGINX 或 NGINX Plus 并进行配置，让它接收访问流量并在内部转发到 WordPress 服务器：

NGINX 代理服务器配置比较简单： 

server {

    listen external-ip:80;  # External IP address

    location / {

        proxy_http_version 1.1; # Always upgrade to HTTP/1.1

        proxy_set_header Connection ""; # Enable keepalives

        proxy_set_header Accept-Encoding ""; # Optimize encoding

        proxy_pass http://wordpress-upstreams;

    }

    status_zone wordpress; # NGINX Plus status monitoring

}

upstream wordpress-upstreams {

    zone wordpress 128k;

    keepalive 20; # Keepalive pool to upstream

    server localhost:80;

}

笔者还修改了 Apache 配置（监听端口号和虚拟服务器），这样 Apache 就绑定到了 localhost:80。

你可能以为添加额外的代理服务器会对性能造成负面影响，但是实际上性能变化可以忽略不计： 

root@nginx-client:~# ab -c 10 -t 30 -k http://nginx-server/

Requests per second:    5.63 [#/sec] (mean)

Time per request:       1774.708 [ms] (mean)

Time per request:       177.471 [ms] (mean, across all concurrent requests)

Transfer rate:          324.44 [Kbytes/sec] received

Connection Times (ms)

              min  mean[+/-sd] median   max

Connect:        0    0   0.2      0       1

Processing:  1423 1709 341.3   1532    2794

Waiting:      554  703 165.0    608    1165

Total:       1423 1709 341.4   1532    2794

在更繁忙的服务器（处理更多并发请求）中，仅靠 NGINX 实现的优化就能带来显著的性能提升。

第二步： 启动短期缓存

在服务器配置中只添加了两条指令，NGINX 或 NGINX Plus 就可以缓存所有可缓存的响应。带有 200 OK 状态码的响应只缓存1秒钟。 

proxy_cache_path /tmp/cache keys_zone=cache:10m levels=1:2 inactive=600s max_size=100m;

server {

    proxy_cache cache;

    proxy_cache_valid 200 1s;

    ...

}

笔者再次运行基准测试时，看到了性能显著提升： 

root@nginx-client:~# ab -c 10 -t 30 -k http://nginx-server/

Complete requests:      18022

Requests per second:    600.73 [#/sec] (mean)

Time per request:       16.646 [ms] (mean)

Time per request:       1.665 [ms] (mean, across all concurrent requests)

Transfer rate:          33374.96 [Kbytes/sec] received

Connection Times (ms)

              min  mean[+/-sd] median   max

Connect:        0    1   0.5      1      10

Processing:     0   16 141.5      3    2119

Waiting:        0    6  54.6      1     818

Total:          1   17 141.5      4    2121

这是120倍的性能优化，从每秒钟处理5条请求到600条；这听起来太棒了，不过还有个问题。

缓存进展顺利，笔者验证了内容的确是每秒更新的（因此永不过时），但是未曾预料到的情况发生了。你会发现处理时间的标准偏差很大（141.5毫秒）。CPU 使用率还是100%（用 vmstat 测量），热门使用量显示有10个活跃的 httpd 进程。

笔者还从 NGINX Plus 的活动检测控制面板找到进一步的线索。测试前：

测试后：

控制面板报告显示，NGINX 在测试期间处理了18032条请求（ab 汇报的18022条请求，以及基准在30秒结束时突出的10条请求）。但是，NGINX 转发了150条请求到上游服务器，在缓存内容1秒钟的情况下，这比我们期望的30秒测试应有的请求数多得多。

怎么回事？为什么 CPU 使用率很高，缓存更新比预期数字更大？

这是因为每次缓存条目过期时，NGINX 就会停止使用它。NGINX 将所有请求都转发给上游 WordPress 服务器，直到它收到响应，可以用新内容来缓存。

这导致了 WordPress 服务器收到的请求经常激增到10条。这些请求会占用 CPU，比缓存响应的请求延迟更多，这就解释了测试结果中的高标准差。

用 NGINX 优化微程序缓存

笔者想要的策略很清晰：需要在确保缓存内容最新的情况下，尽可能少地向上游源服务器转发请求。在缓存内容不断更新的前提下，笔者愿意从缓存获取旧的（延后1到2秒）响应。要实现这一目标，需要添加两条指令：

  • proxy_cache_lock ——限制填充缓存的并发尝试数量，这样当一条缓存入口被创建后，对该资源的请求将会在 NGINX 中排队。
  • proxy_cache_use_stale ——配置 NGINX，使它提供旧的（最近缓存的）内容，同时更新缓存入口。

加上之前已经添加的缓存指令，笔者得到如下服务器配置： 

server {

    proxy_cache one;

    proxy_cache_lock on;

    proxy_cache_valid 200 1s;

    proxy_cache_use_stale updating;

    ...

}

基准测试结果的变化十分惊人。每秒钟的请求数量从600跳跃到接近2200： 

root@nginx-client:~# ab -c 10 -t 30 -n 100000 -k http://nginx-server/

Concurrency Level:      10

Time taken for tests:   30.001 seconds

Complete requests:      65553

Failed requests:        0

Keep-Alive requests:    0

Total transferred:      3728905623 bytes

HTML transferred:       3712974057 bytes

Requests per second:    2185.03 [#/sec] (mean)

Time per request:       4.577 [ms] (mean)

Time per request:       0.458 [ms] (mean, across all concurrent requests)

Transfer rate:          121379.72 [Kbytes/sec] received

Connection Times (ms)

              min  mean[+/-sd] median   max

Connect:        0    1   0.3      1       5

Processing:     1    4   8.1      3     661

Waiting:        0    1   2.6      1     250

Total:          1    5   8.1      4     661

CPU 使用率也低多了（注意 cpu 下面 id 一栏的空闲时间）： 

root@nginx-server:/var/www/html# vmstat 3

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system--- ------cpu-----

 r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs  us sy id wa st

 1  0      0 106512  53192 641116    0    0     0    37 11016 3727 19 45 36  0  0

 1  0      0 105832  53192 641808    0    0     0    68 17116 3521 13 56 31  0  0

 1  0      0 104624  53192 643132    0    0     0    64 14120 4487 15 51 33  0  0

数据传输率（121379.72千字节/秒，或121兆字节每秒）相当于0.97千兆，因此该测试受网络限制。CPU 平均使用率为66%，该服务器的峰值性能应该大概为2185/0.66 = 3300 个请求/秒。

另外，关注 ab 报告的连续响应时间（标准偏差只有8.1毫秒），以及操作面板显示的30秒测试中转发给上游服务器的请求数量很少（16）：

为什么只有16条请求？我们知道缓存到1秒钟时会清零，这个更新过程最多需要0.661秒（从 ab 结果来看），因此可以推测，更新频率不会快于每1.66秒一次。在30秒钟的时间之外，只会收到最多18（30/1.66）条请求。

了解更多

本文简单展示了在短时间内缓存动态内容可能带来的好处，以及 NGINX Plus 的活动监测数据在调整和诊断缓存配置时的用处。如果你想在生产环境中使用微程序缓存，笔者建议你创建并测试一个更为复杂的缓存规则，针对更长时间内的微程序缓存动态和静态内容。

NGINX Plus 还有一项缓存清除功能，可以用来迅速清除 NGINX 缓存中的特定内容。如果你想缓存更长时间的内容，可以将该功能编入程序，但是一旦你更改原始内容，就要立即更新该程序。

要想了解更多信息，请查阅以下资源：

  • 利用 NGINX 缓存指南——概述和方法介绍
  • 内容缓存——NGINX Plus 向导
  • 利用 NGINX Plus 进行内容缓存— NGINX Plus 功能描述

本文系 OneAPM 工程师编译呈现。OneAPM Browser Insight 是一个基于真实用户的 Web 前端性能监控平台，能够帮大家定位网站性能瓶颈，网站加速效果可视化；支持浏览器、微信、App 浏览 HTML 和 HTML5 页面。想阅读更多技术文章，请访问 OneAPM 官方技术博客。

本文转自 OneAPM 官方博客

原文地址： https://www.nginx.com/blog/benefits-of-microcaching-nginx/

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