几乎所有互联网公司，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【】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
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
（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：
- #upstream
- upstream item_http_upstream {
- server 192.168.1.1 max_fails=2 fail_timeout=30s weight=5;
- server 192.168.1.2 max_fails=2 fail_timeout=30s weight=5;
- }
- #缓存
- lua_shared_dict item_local_shop_cache 600m;
- server {
- listen 80;
- server_name item.jd.com item.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_type text/html;
- charset gbk;
- lua_code_cache on;
- 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/1856584.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
- local template = require("resty.template")
- --1、获取请求参数中的商品ID
- local skuId = ngx.req.get_uri_args()["skuId"];
- --2、调用相应的服务获取数据
- local data = api.getData(skuId)
- --3、渲染模板
- local func = template.compile("product.html")
- local content = func(data)
- --4、通过ngx API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。
详细的开发过程和API的使用，请参考《跟我学Nginx+Lua开发》。此处不做具体编码实现。
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://p.3.local/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。
【本文是51CTO专栏作者张开涛的原创文章，作者微信公众号：开涛的博客( kaitao-1234567)】
