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nginx一向以高性能著称，缓存是其中一大利器，本文将分享nginx中各个级别缓存的原理和内部是如何实现的。
0.什么是缓存
缓存存在计算机中的各个领域，其目的都是为了提升处理速度，可以说是以空间换取了时间。但事实并不是这么简单，因为引入了缓存，就要处理一致性、过期处理、缓存策略和命中率等。例如CPU有几级缓存，memcached作为内存缓存服务器，redis也是，还有文件缓存服务器，CDN等。总而言之，访问目标后‘备份’到某中间层，下次再访问时，直接从中间层获取，加快了访问速度。所以目标越往后，处理速度越慢，程序要做的就是尽量命中在前面，不要让访问穿透到后面目标。
1.nginx缓存
nginx属于web应用服务器，是典型的request/response模式。整体而言，nginx的缓存可以总结为3个：304响应、静态级别缓存、动态级别缓存。下面一一介绍：
*304响应
这个其实不算真正意义上的缓存，之所以提出来，是因为它的重要性，也因为涉及客户端的缓存。当客户端访问某URL时，如果服务器响应304状态码，其意义是告诉客户端您访问的东西没有变化过，内容从自己本地获取。浏览器就是典型的应用。当你第一次访问某静态资源时，响应200，当按F5时，会响应304。实现原理是nginx根据头部信息if_modified_since与静态资源的时间戳比较，如果一样，则返回304。做web开发应该清楚这个状态码。
*静态级别缓存
location /test {
open_file_cache max=100;
}
这个级别的缓存是缓存静态资源文件的句柄。nginx处理一个请求时，会打开一个文件句柄，然后在请求处理结束后关闭它。加入open_file_cache后，就会将文件句柄保存在工作进程中（不是共享内存），只要工作进程存在，当后面的请求访问同样的文件时，就不用重新打开文件。这样的好处是节省了文件打开关闭的开销。
*动态级别缓存
http {
...
fastcgi_cache_path /tmp/abc keys_zone=c1:10M;
server {
location ~ \.php$ {
...
fastcgi_cache c1;
fastcgi_cache_valid 200 30s;
}
}
}
这个级别的缓存是缓存动态请求的内容。当客户端访问某动态文件时（http://example.com/test.php），nginx将请求重新封装成fastcgi协议，然后转发给php-fpm处理，当php-fpm正常响应后，nginx将响应内容保存到某目录的文件里。下次同样的请求过来，就直接从缓存目录的文件中读取，比第一次快且省事很多。
聪明的你可能已经想到动态级别缓存可以再加上静态级别缓存，没错的。这3种响应是独立的，可以灵活配合使用。现在您已经明白缓存的原理，接下来看下如何实现的。
2.304响应
ngx_http_not_modified_filter_module处理了这个功能，属于http request header filter模块。源码非常简单。
static ngx_int_t ngx_http_not_modified_header_filter(ngx_http_request_t *r)
{
...
if (r->headers_in.if_modified_since) {
if (r->headers_in.if_modified_since
&& ngx_http_test_if_modified(r))
{
return ngx_http_next_header_filter(r);
}
/* not modified */
r->headers_out.status = NGX_HTTP_NOT_MODIFIED;
return ngx_http_next_header_filter(r);
}
return ngx_http_next_header_filter(r);
}
static ngx_uint_t ngx_http_test_if_modified(ngx_http_request_t *r)
{
...
if (r->headers_out.last_modified_time == (time_t) -1) {
return 1;
}
clcf = ngx_http_get_module_loc_conf(r, ngx_http_core_module);
if (clcf->if_modified_since == NGX_HTTP_IMS_OFF) {
ims = ngx_parse_http_time(r->headers_in.if_modified_since->value.data,
r->headers_in.if_modified_since->value.len);
if (ims == r->headers_out.last_modified_time) {
return 0;
}
if (clcf->if_modified_since == NGX_HTTP_IMS_EXACT
|| ims < r->headers_out.last_modified_time)
{
return 1;
}
return 0;
}
3.静态级别缓存
typedef struct {
ngx_rbtree_t rbtree;
ngx_rbtree_node_t sentinel;
ngx_queue_t expire_queue;
ngx_uint_t current;
ngx_uint_t max;
time_t inactive;
} ngx_open_file_cache_t;
记得这个只在工作进程中处理，不涉及共享内存。看的出来ngx_open_file_cache_t是一个红黑树，也是一个队列。每个文件的文件（根据完整文件名）对应一个节点。这样就完整的维护了所有的可能要缓存的文件。又因为缓存需要处理过期，所以最近访问的文件会保持在expire_queue队列的前面，每次访问将从队列中删除，然后移到最前面。整个逻辑封装在一个函数里：
ngx_int_t ngx_open_cached_file(ngx_open_file_cache_t *cache, ngx_str_t *name, ngx_open_file_info_t *of, ngx_pool_t *pool) { ... }
4.动态级别缓存
ngx_http_file_cache_t {
ngx_http_file_cache_sh_t {
tree
queue
...
}
}
ngx_http_cache_t {
keys
key
ngx_http_file_cache_node_t
}
如果简化点处理过程就是：根据url算出md5，然后将动态请求响应内容存储到文件名为某md5的文件里。
http://example.com/a.php -> d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e -> /tmp/abc/d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e
http://example.com/b.php -> d41d8cd98f00b204e9800998ecf8432d -> /tmp/abc/d41d8cd98f00b204e9800998ecf8432d
http://example.com/c.php -> d41d8cd98f00b204e9800998ecf84a32 -> /tmp/abc/d41d8cd98f00b204e9800998ecf84a32
因为文件存储在硬盘里，所以这里用到共享内存，而不是工作进程的内存中，来保存这种对应关系。
我们可以将每个请求（r）当作各个缓存节点，对应ngx_http_cache_t。ngx_http_file_cache_t就是缓存的集合。明白这个关系后，我们解释下整个流程是如何从开始到结束的。
a）根据fastcgi_cache_path的keys_zone，nginx创建了多个 ngx_http_file_cache_t。根据fastcgi_cache指定了某个location将用到哪个ngx_http_file_cache_t。
b）为每个请求创建一个ngx_http_cache_t（在ngx_http_file_cache_new函数里），然后继续产生一个key，作为本节点的索引。你可以将请求、请求响应内容、内容存储文件都当作同一个东西，最终都是节点，对应ngx_http_cache_t。所以需要有 key这个东西。
c）处理缓存目录和文件名
d）nginx处理动态请求是在ngx_event_pipe里的，当需要缓存里，pipe会有个temp_path将响应内容存储到这个文件里
e）最后将pipe的temp_path重命名成前面产生的文件名，结束了。
5.小结
动态请求的缓存处理代码还是有点复杂的，有兴趣的同学研究下其如何实现很有好处，可以体会下nginx的代码精致程度。如一惯风格，写作主要以白话方式分享原理，细节点到即止，细节上有疑问欢迎交流。
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