用Nginx+Lua(OpenResty)开发高性能Web应用

在互联网公司，Nginx可以说是标配组件，但是主要场景还是负载均衡、反向代理、代理缓存、限流等场景；而把Nginx作为一个Web容器使用的还不是那么广泛。Nginx的高性能是大家公认的，而Nginx开发主要是以C/C++模块的形式进行，整体学习和开发成本偏高；如果有一种简单的语言来实现Web应用的开发，那么Nginx绝对是把好的瑞士军刀；目前Nginx团队也开始意识到这个问题，开发了nginxScript：可以在Nginx中使用JavaScript进行动态配置一些变量和动态脚本执行；而目前市面上用的非常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核心、LuaJIT、ngx_lua模块、许多有用的Lua库和常用的第三方Nginx模块组合在一起成为OpenResty，这样开发人员就可以安装OpenResty，使用Lua编写脚本，然后部署到Nginx Web容器中运行。从而非常轻松就能开发出高性能的Web服务。

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模式，每个进程是单线程来处理多个连接，而且每个工作进程采用了非阻塞I/O来处理多个连接，从而减少了线程上下文切换，从而实现了公认的高性能、高并发；因此在生成环境中会通过把CPU绑定给Nginx工作进程从而提升其性能；另外因为单线程工作模式的特点，内存占用就非常少了。

Nginx更改配置重启速度非常快，可以毫秒级，而且支持不停止Nginx进行升级Nginx版本、动态重载Nginx配置。

Nginx模块也是非常多，功能也很强劲，不仅可以作为http负载均衡，Nginx发布1.9.0版本还支持TCP负载均衡，还可以很容易的实现内容缓存、web服务器、反向代理、访问控制等功能。

2、Lua的优点

Lua是一种轻量级、可嵌入式的脚本语言，这样可以非常容易的嵌入到其他语言中使用。另外Lua提供了协程并发，即以同步调用的方式进行异步执行，从而实现并发，比起回调机制的并发来说代码更容易编写和理解，排查问题也会容易。Lua还提供了闭包机制，函数可以作为First Class Value 进行参数传递，另外其实现了标记清除垃圾收集。

因为Lua的小巧轻量级，可以在Nginx中嵌入Lua VM，请求的时候创建一个VM，请求结束的时候回收VM。

3、什么是ngx_lua

ngx_lua是Nginx的一个模块，将Lua嵌入到Nginx中，从而可以使用Lua来编写脚本，这样就可以使用Lua编写应用脚本，部署到Nginx中运行，即Nginx变成了一个Web容器；这样开发人员就可以使用Lua语言开发高性能Web应用了。

ngx_lua提供了与Nginx交互的很多的API，对于开发人员来说只需要学习这些API就可以进行功能开发，而对于开发web应用来说，如果接触过Servlet的话，其开发和Servlet类似，无外乎就是知道接收请求、参数解析、功能处理、返回响应这几步的API是什么样子的。

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Web应用开发了。

如何安装可以参考《跟我学Nginx+Lua开发》。

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【<link type="text/css" rel="stylesheet" href="//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： 

if nginx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  -s reload
end  

stop.sh是停止Nginx脚本： 

sudo /export/servers/nginx/sbin/nginx  -s quit 

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  

worker_processes  1;
events {
    worker_connections  1024;
}
http {
   include       mime.types;
   default_type  text/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";
} 

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

/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：