使用ngx_lua构建高并发应用（1）

一. 概述

        Nginx是一个高性能，支持高并发的，轻量级的web服务器。目前，Apache依然web服务器中的老大，但是在全球前1000大的web服务器 中，Nginx的份额为22.4%。Nginx采用模块化的架构，官方版本的Nginx中大部分功能都是通过模块方式提供的，比如Http模块、Mail 模块等。通过开发模块扩展Nginx，可以将Nginx打造成一个全能的应用服务器，这样可以将一些功能在前端Nginx反向代理层解决，比如登录校验、 js合并、甚至数据库访问等等。

        但是，Nginx模块需要用C开发，而且必须符合一系列复杂的规则，最重要的用C开发模块必须要熟悉Nginx的源代码，使得开发者对其望而生畏。淘宝的 agentzh和chaoslawful开发的ngx_lua模块通过将lua解释器集成进Nginx，可以采用lua脚本实现业务逻辑，由于lua的紧 凑、快速以及内建协程，所以在保证高并发服务能力的同时极大地降低了业务逻辑实现成本。

        本文向大家介绍ngx_lua，以及我在使用它开发项目的过程中遇到的一些问题。

二. 准备

        首先，介绍一下Nginx的一些特性，便于后文介绍ngx_lua的相关特性。

1. Nginx进程模型

        Nginx采用多进程模型，单Master—多Worker，由Master处理外部信号、配置文件的读取及Worker的初始化，Worker进程采用 单线程、非阻塞的事件模型（Event Loop，事件循环）来实现端口的监听及客户端请求的处理和响应，同时Worker还要处理来自Master的信号。由于Worker使用单线程处理各种 事件，所以一定要保证主循环是非阻塞的，否则会大大降低Worker的响应能力。

图1

 

2. Nginx处理Http请求的过程

        表面上看，当Nginx处理一个来自客户端的请求时，先根据请求头的host、ip和port来确定由哪个server处理，确定了server之后，再 根据请求的uri找到对应的location，这个请求就由这个location处理。实际Nginx将一个请求的处理划分为若干个不同阶段 （phase），这些阶段按照前后顺序依次执行，也就是说NGX_HTTP_POST_READ_PHASE在第一 个，NGX_HTTP_LOG_PHASE在最后一个。

NGX_HTTP_POST_READ_PHASE,     
//0读取请求phase
NGX_HTTP_SERVER_REWRITE_PHASE,//1这个阶段主要是处理全局的(server block)的rewrite
NGX_HTTP_FIND_CONFIG_PHASE,   //2这个阶段主要是通过uri来查找对应的location，然后根据loc_conf设置r的相应变量
NGX_HTTP_REWRITE_PHASE,       //3这个主要处理location的rewrite
NGX_HTTP_POST_REWRITE_PHASE,  //4postrewrite，这个主要是进行一些校验以及收尾工作，以便于交给后面的模块。
NGX_HTTP_PREACCESS_PHASE,     //5比如流控这种类型的access就放在这个phase，也就是说它主要是进行一些比较粗粒度的access。
NGX_HTTP_ACCESS_PHASE,        //6这个比如存取控制，权限验证就放在这个phase，一般来说处理动作是交给下面的模块做的.这个主要是做一些细粒度的access
NGX_HTTP_POST_ACCESS_PHASE,   //7一般来说当上面的access模块得到access_code之后就会由这个模块根据access_code来进行操作
NGX_HTTP_TRY_FILES_PHASE,     //8try_file模块，就是对应配置文件中的try_files指令，可接收多个路径作为参数，当前一个路径的资源无法找到，则自动查找下一个路径
NGX_HTTP_CONTENT_PHASE,       //9内容处理模块
NGX_HTTP_LOG_PHASE            //10log模块

        每个阶段上可以注册handler，处理请求就是运行每个阶段上注册的handler。Nginx模块提供的配置指令只会一般只会注册并运行在其中的某一 个处理阶段。比如，set指令属于rewrite模块的，运行在rewrite阶段，deny和allow运行在access阶段。

3. 子请求（subrequest）

        其实在Nginx 世界里有两种类型的“请求”，一种叫做“主请求”（main request），而另一种则叫做“子请求”（subrequest）。

        所谓“主请求”，就是由 HTTP 客户端从 Nginx 外部发起的请求。比如，从浏览器访问Nginx就是一个“主请求”。

        而“子请求”则是由 Nginx 正在处理的请求在 Nginx 内部发起的一种级联请求。“子请求”在外观上很像 HTTP 请求，但实现上却和 HTTP 协议乃至网络通信一点儿关系都没有。它是 Nginx 内部的一种抽象调用，目的是为了方便用户把“主请求”的任务分解为多个较小粒度的“内部请求”，并发或串行地访问多个 location 接口，然后由这些 location 接口通力协作，共同完成整个“主请求”。当然，“子请求”的概念是相对的，任何一个“子请求”也可以再发起更多的“子子请求”，甚至可以玩递归调用（即自 己调用自己）。当一个请求发起一个“子请求”的时候，按照 Nginx 的术语，习惯把前者称为后者的“父请求”（parent request）。 

location /main {
    echo_location /foo;     # echo_location发送子请求到指定的location
    echo_location /bar;
}
location /foo {
    echo foo;
}
location /bar {
    echo bar;
}

       输出：

 

$ curl location/main
$ foo
  bar

这里，main location就是发送2个子请求，分别到foo和bar，这就类似一种函数调用。

        “子请求”方式的通信是在同一个虚拟主机内部进行的，所以 Nginx 核心在实现“子请求”的时候，就只调用了若干个 C 函数，完全不涉及任何网络或者 UNIX 套接字（socket）通信。我们由此可以看出“子请求”的执行效率是极高的。

4. 协程（Coroutine）

         协程类似一种多线程，与多线程的区别有：

        1. 协程并非os线程，所以创建、切换开销比线程相对要小。

        2. 协程与线程一样有自己的栈、局部变量等，但是协程的栈是在用户进程空间模拟的，所以创建、切换开销很小。

        3. 多线程程序是多个线程并发执行，也就是说在一瞬间有多个控制流在执行。而协程强调的是一种多个协程间协作的关系，只有当一个协程主动放弃执行权，另一个协程才能获得执行权，所以在某一瞬间，多个协程间只有一个在运行。

        4. 由于多个协程时只有一个在运行，所以对于临界区的访问不需要加锁，而多线程的情况则必须加锁。

        5. 多线程程序由于有多个控制流，所以程序的行为不可控，而多个协程的执行是由开发者定义的所以是可控的。

        Nginx的每个Worker进程都是在epoll或kqueue这样的事件模型之上，封装成协程，每个请求都有一个协程进行处理。这正好与Lua内建协 程的模型是一致的，所以即使ngx_lua需要执行Lua，相对C有一定的开销，但依然能保证高并发能力。

三. ngx_lua

1. 原理

        ngx_lua将Lua嵌入Nginx，可以让Nginx执行Lua脚本，并且高并发、非阻塞的处理各种请求。Lua内建协程，这样就可以很好的将异步回 调转换成顺序调用的形式。ngx_lua在Lua中进行的IO操作都会委托给Nginx的事件模型，从而实现非阻塞调用。开发者可以采用串行的方式编写程 序，ngx_lua会自动的在进行阻塞的IO操作时中断，保存上下文；然后将IO操作委托给Nginx事件处理机制，在IO操作完成后，ngx_lua会 恢复上下文，程序继续执行，这些操作都是对用户程序透明的。

        每个NginxWorker进程持有一个Lua解释器或者LuaJIT实例，被这个Worker处理的所有请求共享这个实例。每个请求的Context会被Lua轻量级的协程分割，从而保证各个请求是独立的。

        ngx_lua采用“one-coroutine-per-request”的处理模型，对于每个用户请求，ngx_lua会唤醒一个协程用于执行用户代 码处理请求，当请求处理完成这个协程会被销毁。每个协程都有一个独立的全局环境（变量空间），继承于全局共享的、只读的“comman data”。所以，被用户代码注入全局空间的任何变量都不会影响其他请求的处理，并且这些变量在请求处理完成后会被释放，这样就保证所有的用户代码都运行 在一个“sandbox”（沙箱），这个沙箱与请求具有相同的生命周期。

        得益于Lua协程的支持，ngx_lua在处理10000个并发请求时只需要很少的内存。根据测试，ngx_lua处理每个请求只需要2KB的内存，如果使用LuaJIT则会更少。所以ngx_lua非常适合用于实现可扩展的、高并发的服务。

2. 典型应用

        官网上列出：

·  Mashup'ing and processing outputs of various nginx upstream outputs(proxy, drizzle, postgres, redis, memcached, and etc) in Lua,

·  doing arbitrarily complex access control and security checks in Luabefore requests actually reach the upstream backends,

·  manipulating response headers in an arbitrary way (by Lua)

·  fetching backend information from external storage backends (likeredis, memcached, mysql, postgresql) and use that information to choose whichupstream backend to access on-the-fly,

·  coding up arbitrarily complex web applications in a content handlerusing synchronous but still non-blocking access to the database backends andother storage,

·  doing very complex URL dispatch in Lua at rewrite phase,

·  using Lua to implement advanced caching mechanism for nginxsubrequests and arbitrary locations.

3. Hello Lua！

        配置：

# nginx.conf
worker_processes 4;

events {
     worker_connections 1024;
}
http {

    server {
        listen 80;
        server_name localhost;

        location = /lua {
            content_by_lua ‘
                ngx.say("Hello, Lua!")
            ';
        }
    }
}

        输出：

$ curl 'localhost/lua'
Hello，Lua！

        这样就实现了一个很简单的ngx_lua应用，如果这么简单的模块要是用C来开发的话，代码量估计得有100行左右，从这就可以看出ngx_lua的开发效率。

4. Benchmark

        通过和nginx访问静态文件还有nodejs比较，来看一下ngx_lua提供的高并发能力。

        返回的内容都是”Hello World!”，151bytes

        通过.ab -n 60000   取10次平均

 

	1000	3000	5000	7000	10000
nginx 静态文件	11351	9653	8929	8997	9722
nodejs	10846	9510	8898	8387	7820
ngx_lua	13839	10174	9523	10309	10711

        从图表中可以看到，在各种并发条件下ngx_lua的rps都是最高的，并且基本维持在10000rps左右，nginx读取静态文件因为会有磁盘 io所以性能略差一些，而nodejs是相对最差的。通过这个简单的测试，可以看出ngx_lua的高并发能力。

        ngx_lua的开发者也做过一个测试对比nginx+fpm+php和nodejs，他得出的结果是ngx_lua可以达到28000rps，而 nodejs有10000多一点，php则最差只有6000。可能是有些配置我没有配好导致ngx_lua rps没那么高。

5. ngx_lua安装

        ngx_lua安装可以通过下载模块源码，编译Nginx，但是推荐采用openresty。Openresty就是一个打包程序，包含大量的第三方 Nginx模块，比如HttpLuaModule，HttpRedis2Module，HttpEchoModule等。省去下载模块，并且安装非常方 便。

        ngx_openresty bundle: openresty

        ./configure --with-luajit&& make && make install

        默认Openresty中ngx_lua模块采用的是标准的Lua5.1解释器，通过--with-luajit使用LuaJIT。

 

6. ngx_lua的用法

        ngx_lua模块提供了配置指令和Nginx API。

        配置指令：在Nginx中使用，和set指令和pass_proxy指令使用方法一样，每个指令都有使用的context。      

        Nginx API：用于在Lua脚本中访问Nginx变量，调用Nginx提供的函数。

        下面举例说明常见的指令和API。

7. 配置指令

        a. set_by_lua和set_by_lua_file

        和set指令一样用于设置Nginx变量并且在rewrite阶段执行，只不过这个变量是由lua脚本计算并返回的。

        语法：set_by_lua$res <lua-script-str> [$arg1 $arg2 ...]

        配置：

location = /adder {
    set_by_lua $res "
            local a = tonumber(ngx.arg[1])
                local b = tonumber(ngx.arg[2])
                return a + b" $arg_a $arg_b;

        echo $res;
}

        输出：

$ curl 'localhost/adder?a=25&b=75'
$ 100

        set_by_lua_file执行Nginx外部的lua脚本，可以避免在配置文件中使用大量的转义。

        配置：

location = /fib {
        set_by_lua_file $res "conf/adder.lua" $arg_n;

        echo $res;
}

        adder.lua:

local a = tonumber(ngx.arg[1])
local b = tonumber(ngx.arg[2])
return a + b

        输出：

$ curl 'localhost/adder?a=25&b=75
$ 100

        b. access_by_lua和access_by_lua_file

        运行在access阶段，用于访问控制。Nginx原生的allow和deny是基于ip的，通过access_by_lua能完成复杂的访问控制，比如，访问数据库进行用户名、密码验证等。

        配置：

location /auth {
    access_by_lua '
        if ngx.var.arg_user == "ntes" then
            return
        else
            Ngx.exit(ngx.HTTP_FORBIDDEN)
        end
    ';
    echo 'welcome ntes';
}

        输出：

$ curl 'localhost/auth?user=sohu'
$ Welcome ntes


$ curl 'localhost/auth?user=ntes'
$ <html>
<head><title>403 Forbidden</title></heda>
<body bgcolor="white">
<center><h1>403 Forbidden</h1></center>
<hr><center>ngx_openresty/1.0.10.48</center>
</body>
</html>

        c. rewrite_by_lua和rewrite_by_lua_file

        实现url重写，在rewrite阶段执行。

        配置：

location = /foo {
        rewrite_by_lua 'ngx.exec("/bar")';
    echo 'in foo';
}

location = /bar {
        echo 'in bar';
}

        输出：

$ curl 'localhost/lua'
$ Hello, Lua!

        d. content_by_lua和content_by_lua_file

        Contenthandler在content阶段执行，生成http响应。由于content阶段只能有一个handler，所以在与echo模块使用 时，不能同时生效，我测试的结果是content_by_lua会覆盖echo。这和之前的hello world的例子是类似的。

        配置（直接响应）：

location = /lua {
        content_by_lua 'ngx.say("Hello, Lua!")';
}

        输出：

$ curl 'localhost/lua'
$ Hello, Lua!

        配置（在Lua中访问Nginx变量）：

location = /hello {
        content_by_lua 'local who = ngx.var.arg_who
        ngx.say("Hello, ", who, "!")';
}

        输出：

$ curl 'localhost/hello?who=world
$ Hello, world!

8. Nginx API

        Nginx API被封装ngx和ndk两个package中。比如ngx.var.NGX_VAR_NAME可以访问Nginx变量。这里着重介绍一下ngx.location.capture和ngx.location.capture_multi。

        a. ngx.location.capture

        语法：res= ngx.location.capture(uri, options?)

        用于发出一个同步的，非阻塞的Nginxsubrequest（子请求）。可以通过Nginx subrequest向其它location发出非阻塞的内部请求，这些location可以是配置用于读取文件夹的，也可以是其它的C模块，比如 ngx_proxy, ngx_fastcgi, ngx_memc, ngx_postgres, ngx_drizzle甚至是ngx_lua自己。

        Subrequest只是模拟Http接口，并没有额外的Http或者Tcp传输开销，它在C层次上运行，非常高效。Subrequest不同于Http 301/302重定向，以及内部重定向（通过ngx.redirection）。

        配置：

location = /other {
    ehco 'Hello, world!';
}

# Lua非阻塞IO
location = /lua {
    content_by_lua '
        local res = ngx.location.capture("/other")
        if res.status == 200 then
            ngx.print(res.body)
        end
    ';
}

        输出：

$ curl  'http://localhost/lua'
$ Hello, world!

        实际上，location可以被外部的Http请求调用，也可以被内部的子请求调用。每个location相当于一个函数，而发送子请求就类似于函数调 用，而且这种调用是非阻塞的，这就构造了一个非常强大的变成模型，后面我们会看到如何通过location和后端的memcached、redis进行非 阻塞通信。

        b. ngx.location.capture_multi

        语法：res1,res2, ... = ngx.location.capture_multi({ {uri, options?}, {uri, options?}, ...})

        与ngx.location.capture功能一样，可以并行的、非阻塞的发出多个子请求。这个方法在所有子请求处理完成后返回，并且整个方法的运行时间取决于运行时间最长的子请求，并不是所有子请求的运行时间之和。

        配置：

# 同时发送多个子请求（subrequest）
location = /moon {
    ehco 'moon';
}
location = /earth {
    ehco 'earth';
}

location = /lua {
    content_by_lua '
        local res1,res2 = ngx.location.capture_multi({ {"/moon"}, {"earth"} })
        if res1.status == 200 then
            ngx.print(res1.body)
        end
        ngx.print(",")
        if res2.status == 200 then
            ngx.print(res2.body)
        end
    ';
}

        输出：

$ curl  'http://localhost/lua'
$ moon,earth

        c. 注意

        在Lua代码中的网络IO操作只能通过Nginx Lua API完成，如果通过标准Lua API会导致Nginx的事件循环被阻塞，这样性能会急剧下降。

        在进行数据量相当小的磁盘IO时可以采用标准Lua io库，但是当读写大文件时这样是不行的，因为会阻塞整个NginxWorker进程。为了获得更大的性能，强烈建议将所有的网络IO和磁盘IO委托给 Nginx子请求完成（通过ngx.location.capture）。

        下面通过访问/html/index.html这个文件，来测试将磁盘IO委托给Nginx和通过Lua io直接访问的效率。

        通过ngx.location.capture委托磁盘IO：

        配置：

location / {
    internal;
    root html;
}

location /capture {
    content_by_lua '
        res = ngx.location.capture("/")
        echo res.body
    ';
}

        通过标准lua io访问磁盘文件：

        配置：

location /luaio{
    content_by_lua '
        local io = require("io")
        local chunk_SIZE = 4096
        local f = assert(io.open("html/index.html","r"))
        while true do
            local chunk = f:read(chunk)
            if not chunk then
                break
            end
            ngx.print(chunk)
            ngx.flush(true)
        end
        f:close()
    ';
}

        这里通过ab去压，在各种并发条件下，分别返回151bytes、151000bytes的数据，取10次平均，得到两种方式的rps。

        静态文件：151bytes

 

	1000	3000	5000	7000	10000
capture	11067	8880	8873	8952	9023
Lua io	11379	9724	8938	9705	9561

        静态文件：151000bytes，在10000并发下内存占用情况太严重，测不出结果        这种情况下，文件较小，通过Nginx访问静态文件需要额外的系统调用，性能略逊于ngx_lua。 

	1000	3000	5000	7000	10000
capture	3338	3435	3178	3043	/
Lua io	3174	3094	3081	2916	/

        在大文件的情况，capture就要略好于ngx_lua。

        这里没有对Nginx读取静态文件进行优化配置，只是采用了sendfile。如果优化一下，可能nginx读取静态文件的性能会更好一些，这个目前还不 熟悉。所以，在Lua中进行各种IO时，都要通过ngx.location.capture发送子请求委托给Nginx事件模型，这样可以保证IO是非阻 塞的。