使用Lua(OpenResty)+Nginx开发高性能Web应用

在互联网公司，Nginx能够说是标配组件，但是主要场景还是负载平衡、反向代理、代理缓存、限流等场景；而把Nginx作为一个 Web 容器运用的还不是那么普遍。Nginx的高性能是大家公认的，而 Nginx 开发主要是以 C/C++模块的方式停止，整体学习和开发本钱偏高；假如有一种简单的言语来完成 Web 应用的开发，那么Nginx绝对是把好的瑞士军刀；目前Nginx团队也开端认识到这个问题，开发了 nginxScript：能够在Nginx中运用 JavaScript 停止动态配置一些变量和动态脚本执行；而目前市面上用的十分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 中心、LuaJIT、ngx_lua 模块、许多有用的 Lua 库和常用的第三方 Nginx 模块组合在一同成为 OpenResty，这样开发人员就能够装置 OpenResty，运用 Lua 编写脚本，然后部署到 Nginx Web 容器中运转。从而十分轻松就能开发出高性能的 Web 效劳。

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。

一、ngx_lua 简介

1、Nginx 优点

Nginx 设计为一个主进程多个工作进程的工作形式，每个进程是单线程来处置多个衔接，而且每个工作进程采用了非阻塞 I/O 来处置多个衔接，从而减少了线程上下文切换，从而完成了公认的高性能、高并发；因而在生成环境中会经过把 CPU 绑定给 Nginx 工作进程从而提升其性能；另外由于单线程工作形式的特性，内存占用就十分少了。

Nginx 更改配置重启速度十分快，能够毫秒级，而且支持不中止 Nginx 停止晋级 Nginx 版本、动态重载 Nginx配置。

Nginx 模块也是十分多，功用也很强劲，不只能够作为 http 负载平衡，Nginx 发布 1.9.0 版本还支持 TCP 负载平衡，还能够很容易的完成内容缓存、web 效劳器、反向代理、访问控制等功用。

2、Lua 的优点

Lua 是一种轻量级、可嵌入式的脚本言语，这样能够十分容易的嵌入到其他言语中运用。另外 Lua 提供了协程并发，即以同步伐用的方式停止异步执行，从而完成并发，比起回调机制的并发来说代码更容易编写和了解，排查询题也会容易。Lua 还提供了闭包机制，函数能够作为 First Class Value 停止参数传送，另外其完成了标志肃清渣滓搜集。

由于 Lua 的小巧轻量级，能够在 Nginx 中嵌入 Lua VM，恳求的时分创立一个 VM，恳求完毕的时分回收 VM。

3、什么是 ngx_lua

ngx_lua 是 Nginx 的一个模块，将 Lua 嵌入到 Nginx 中，从而能够运用 Lua 来编写脚本，这样就能够运用 Lua 编写应用脚本，部署到 Nginx 中运转，即 Nginx 变成了一个 Web 容器；这样开发人员就能够运用 Lua 言语开发高性能Web 应用了。

ngx_lua 提供了与 Nginx 交互的很多的 API，关于开发人员来说只需求学习这些 API 就能够停止功用开发，而关于开发 web 应用来说，假如接触过 Servlet 的话，其开发和 Servlet 相似，无外乎 4、开发环境

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
如何安装可以参考《跟我学 Nginx+Lua 开发》。
Web 应用开发了。

5、OpenResty 生态

OpenResty 提供了一些常用的 ngx_lua 开发模块：如

lua-resty-memcached

lua-resty-mysql

lua-resty-redis

lua-resty-dns

lua-resty-limit-traffic

lua-resty-template

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。

6、场景

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；

Web 防火墙：可以进行 IP/URL/UserAgent/Referer 黑名单、限流等功能；

缓存服务器：可以对响应内容进行缓存，减少到后端的请求，从而提升性能；

其他：如静态资源服务器、消息推送服务、缩略图裁剪等。

二、基于 Nginx+Lua 的常用架构模式

1、负载均衡

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“Host:item.jd.com”，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。

2、单机闭环

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。

如上所示，主要有三种应用模式：

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 http://www.jd.com 时，会看到一个 http://ccc.jd.com/cookie_check 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http://item.jd.com/1856584.html，查看源码会发现【//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”/>】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。

还一些业务型应用场景如下图所示

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）。

比如商品页面的架构我们可以这样：

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。

3、分布式闭环

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。

如采用如下架构，按照尾号将内容分布到多台服务器。

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

4、接入网关

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：

4.1、核心接入 Nginx 会做如下事情：

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http://c.3.cn/proxy?methods=a,b,c，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；

6、缓存服务：使用 Nginx Proxy Cache 实现内容页面的缓存；

4.2、业务 Nginx 会做如下事情：

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》。

5、Web 应用

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。

三、如何使用 Nginx+Lua 开发 Web 应用

开发一个 Web 应用我们需要从项目搭建、功能开发、项目部署几个层面完成。

3.1、项目搭建

/export/App/nginx-app

-------bin(脚本)

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

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

-------config(配置文件)

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

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

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

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

-------lua(业务代码)

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

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

-------template(模板)

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

-------lualib(公共 Lua 库)

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

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

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

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

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

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

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。

1、启停脚本

启停脚本放在项目目录/export/App/nginx-app/bin/下。

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：

ifnginx 没启动 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 脚本：

1

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

2、配置文件

配置文件放在/export/App/nginx-app/config 目录下，包括了 nginx.conf 配置文件、nginx 项目配置文件和资源配置文件。

nginx.confg 配置文件

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：

lua_package_path、lua_package_cpath 指定我们依赖的通用 Lua 库从哪里加载；

include /export/App/nginx-app/config/domains/*：用于加载 server 相关的配置，此处通过*可以在一个 nginx 下指定多个 server 配置；

init_by_lua_file “/export/App/nginx-app/lua/init.lua”：执行项目的一些初始化配置，比如加载配置文件。

nginx 项目配置文件

worker_processes1;

events{

worker_connections1024;

}

http{

includemime.types;

default_typetext/html;

#gzip 相关

#超时时间

#日志格式

#反向代理配置

#lua 依赖路径

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/*;

#初始化脚本

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

}

/export/App/nginx-app/config/domains/nginx_product.conf 用于配置当前 web 应用的一些 server 相关的配置：

#upstream

upstreamitem_http_upstream{

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

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

}

#缓存

lua_shared_dictitem_local_shop_cache600m;

server{

listen80;

server_nameitem.jd.comitem.jd.hk;

#模板文件从哪加载

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";

}

}

我们需要指定如 upstream、共享字典配置、server 配置、模板文件从哪加载、url 映射，比如我们访问http://item.jd.com/xxxx.html将交给/export/App/nginx-app/lua/product_controller.lua 处理；也就是说我们项目的入口就有了。

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。

3、业务代码

/export/App/nginx-app/lua/目录里存放了我们的 lua 业务代码，init.lua 用于读取如 resources.properties 来进行一些项目初始化；product_controller.lua 可以看成 Java Web 中的 Servlet，接收、处理、响应用户请求。

4、模板

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。

5、公共 Lua 库

存放了一些如 redis、template 等相关的公共 Lua 库，还有一些我们项目中通用的工具库如 product_util.lua。

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。

3.2、功能开发

接下来就需要使用相应的 API 来实现我们的业务了，比如 product_controller.lua：

--加载 Lua 模块库

localtemplate=require("resty.template")

--1、获取请求参数中的商品 ID

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

--2、调用相应的服务获取数据

localdata=api.getData(skuId)

--3、渲染模板

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

localcontent=func(data)

--4、通过 ngxAPI 输出内容

ngx.say(content)

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。

四、基于 Nginx+Lua 的常用功能总结

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：

动态负载均衡；

防火墙（DDOS、IP/URL/UserAgent/Referer 黑名单、防盗链等）；

限流；

降级；

AB 测试/灰度发布；

多级缓存模式；

服务端请求聚合；

服务质量监控。

一些问题

1、在开发 nginx 应用时使用 UTF-8 编码可以减去很多麻烦；

2、GBK 转码解码时使用 GB18030，否则一些特殊字符会出现乱码；

3、cjson 库对于如\uab1 这种错误的 unicode 转码会失败，可以使用纯 Lua 编写的 dkjson；

4、社区版 nginx 不支持 upstream 的域名动态解析；可以考虑proxy_pass http://a.cn/prices/mgets$is_args$args，然后配合 resolver 来实现；或者在 lua 中进行 http 调用；如果 DNS 遇到性能瓶颈可以考虑在本机部署如 dnsmasq 来缓存；或者考虑使用 balancer_by_lua 功能实现动态 upstream；

5、为响应添加处理服务器 IP 的响应头，方便定位问题；

6、根据业务设置合理的超时时间；

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。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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