Nginx 缓存系统 proxy_cache工作原理解析_缓存

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前言

nginx 的 proxy_cache 模块是 nginx 代理功能的一部分，它允许 nginx 缓存来自后端服务器的响应，以便在后续的请求中可以直接从缓存中提供内容，而无需再次向后端服务器请求。这种机制可以显著提高静态内容的响应速度，减轻后端服务器的负载，并提高网站的可扩展性。

功能特点

减少后端负载：通过缓存静态内容，减少对后端服务器的请求，降低负载。
提高响应速度：缓存的内容可以快速响应后续相同的请求，提高用户体验。
灵活的缓存策略：可以根据不同的 http 响应状态码设置不同的缓存有效期。
缓存控制：提供了丰富的指令来控制哪些请求可以被缓存，哪些请求应该绕过缓存。

proxy_cache工作原理

nginx 的 proxy_cache 模块允许 nginx 作为反向代理服务器时缓存后端服务器的响应。以下是 proxy_cache 模块的工作原理：

请求到达：客户端向 nginx 发送请求。
缓存查找：nginx 首先检查请求是否命中缓存。这是通过查找共享内存中的缓存键（由 proxy_cache_key 定义）来完成的。
缓存命中：如果请求命中缓存，nginx 直接从缓存中读取响应并返回给客户端。
缓存未命中：如果请求未命中缓存，nginx 将请求转发到后端服务器。
后端响应：后端服务器处理请求并返回响应给 nginx。
缓存存储：nginx 将后端服务器的响应存储在本地文件系统中，同时在共享内存中更新缓存键和元数据。
返回响应：nginx 将后端服务器的响应返回给客户端，并根据 proxy_cache_valid 指令设置的规则决定缓存时间。

示意图

+--------+     +---------+     +-----------+     +----------+
| 客户端  | --> |   nginx  | --> | 后端服务器 | --> |   nginx   |
|         |--> |  (查找缓存) |     |           | <-- |  (返回    |
|         |    |  (缓存命中) |     |           |     |  响应)   |
|         |    |  (缓存未命中) |     |           |     +----------+
+---+----+    +---------+     +-----+---+---+
    |                |              |
    |                |              | (缓存存储)
    |                |              |
    +----------------+--------------+

配置文件示例

# 定义 http 块，nginx 的主要配置都在这个块内
http {
    # 设置缓存路径及其参数
    proxy_cache_path /data/nginx/cache levels=1:2 keys_zone=my_cache:10m max_size=10g inactive=7d use_temp_path=off;
    # levels 定义缓存目录的层级，1:2 表示两层
    # keys_zone 定义缓存键和大小，my_cache:10m 表示名称为 my_cache，大小为 10mb
    # max_size 控制缓存区域的最大磁盘空间，这里设置为 10gb
    # inactive 定义缓存数据在指定时间内未被访问则自动清除的时间，这里设置为 7 天
    # use_temp_path 设置为 off，表示缓存文件直接写到 cache 中而不使用 temp_path，避免文件拷贝导致影响性能
    # 定义 server 块，用于监听 80 端口并处理对 example.com 的请求
    server {
        # 监听 80 端口
        listen 80;
        # 设置服务器名，这里为 example.com
        server_name example.com;
        # 定义 location 块，用于处理根路径下的请求
        location / {
            # 将请求代理到后端服务器，这里为 http://backend
            proxy_pass http://backend;
            # 启用缓存，并指定缓存区域为 my_cache
            proxy_cache my_cache;
            # 设置缓存键，这里包括请求方法、主机和请求 uri
            proxy_cache_key "$request_method$host$request_uri";
            # 设置不同 http 状态码的缓存有效期，200 和 302 状态码的响应缓存 10 分钟
            proxy_cache_valid 200 302 10m;
            # 设置 404 状态码的响应缓存 1 分钟
            proxy_cache_valid 404 1m;
            # 定义条件跳过缓存，如果请求中包含 no_cache 参数或特定的 http 头，则不使用缓存
            proxy_cache_bypass $cookie_no_cache $arg_no_cache$http_pragma$http_authorization;
            # 定义条件不缓存响应，如果请求中包含 no_cache 参数或特定的 http 头，则不缓存响应
            proxy_no_cache $cookie_no_cache $arg_no_cache$http_pragma$http_authorization;
        }
    }
}

这段配置注释详细解释了 nginx 配置文件中的每个指令和它们的参数，以便更好地理解配置文件的作用和行为。

参数详尽说明

proxy_cache_path：定义缓存文件存储路径和参数。
- levels：定义缓存目录的层级。
- keys_zone：定义共享内存中用于缓存键的区域。
- max_size：定义缓存的最大磁盘空间。
- inactive：定义缓存数据在指定时间内未被访问则自动清除的时间。
- use_temp_path：定义是否使用临时路径。
proxy_cache：启用缓存并指定缓存区域。
proxy_cache_key：定义缓存的键，用于识别缓存数据。
proxy_cache_valid：为不同的响应状态码设置缓存时间。

proxy_cache_bypass 和 proxy_no_cache：定义条件跳过缓存和避免缓存特定响应。

性能优化方案

缓存策略优化：合理配置 proxy_cache_valid 指令，为不同的响应状态码设置不同的缓存时间。
缓存空间管理：通过 proxy_cache_path 指令合理设置缓存空间的大小和有效期。
缓存键优化：使用 proxy_cache_key 指令定制缓存键，减少缓存冲突，提高缓存命中率。
缓存锁定：通过 proxy_cache_lock 和 proxy_cache_lock_timeout 指令，控制同时对同一缓存项的请求，减少对后端的并发请求。
使用 cdn：结合 cdn 使用 nginx 缓存，可以将静态资源缓存到离用户更近的节点。
监控和调整：定期监控缓存命中率和响应时间，根据实际情况调整缓存配置。