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《用OpenResty搭建高性能服务端》笔记

概要

《用OpenResty搭建高性能服务端》是OpenResty系列课程中的入门课程，主讲人：温铭老师。课程分为10个章节，侧重于OpenResty的基本概念和主要特点的介绍，包括它的指令、nginx_lua API、缓存、如何连接数据库、执行阶段等，并通过几个实际的操作和代码片段，告诉大家学习中如何搭建开发、测试环境，如何调试、查找和解决问题。

视频播放地址：https://study.163.com/course/introduction.htm?courseId=1520005

课程目录一览：

个人评价：评分满分。内容由浅入深，思路清晰，内容组织有序，容易上手，为初学者打开了一扇学习的大门。非常不错的分享。学完后需再配合 《OpenResty最佳实践》 + 官方文档 进行系统学习。

下面是学习笔记，内容主要是以老师的讲解为主，加上部分自己补充或理解的内容。

本文环境：

$ uname -a
Linux ba2f3eedf7df 4.4.111-boot2docker #1 SMP Thu Jan 11 16:25:31 UTC 2018 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

$ cat /etc/redhat-release 
CentOS release 6.8 (Final)

$ /usr/local/openresty/bin/openresty -v
nginx version: openresty/1.13.6.2

$ /usr/local/openresty/luajit/bin/luajit -v
LuaJIT 2.1.0-beta3 -- Copyright (C) 2005-2017 Mike Pall. http://luajit.org/

OpenResty 简介

OpenResty® 是一个基于 Nginx 与 Lua 的高性能 Web 平台，其内部集成了大量精良的 Lua 库、第三方模块以及大多数的依赖项。用于方便地搭建能够处理超高并发、扩展性极高的动态 Web 应用、Web 服务和动态网关。

OpenResty 基于Nginx开发，可以简单认为是 Nginx + lua-nginx-module的组合版。

官网：https://openresty.org/cn/
官方文档：https://github.com/openresty/lua-nginx-module#version

高性能服务端两个重要要素：需要支持缓存，语言层面要支持异步非堵塞。

缓存速度上，内存 > SSD > 机械磁盘；本机 > 网络 ； 进程内 > 进程间 。异步非阻塞指的是事件驱动方式（事件完成后再通知）。

OpenResty 包含的技术：

  • Nginx：不仅仅是负载均衡+反向代理等功能，Nginx c module开发成本高。
  • LuaJIT：OpenResty用的是 LuaJIT，LuaJIT 是主打性能的Lua。

OpenResty 本质上是将 LuaJIT 的虚拟机嵌入到 Nginx的worker中，所以效率特别高，在性能上，OpenResty 接近或超过 Nginx c module：

OpenResty已经颠覆了高性能服务端的开发模式。

OpenResty与市面上其他语言对比：

  • node.js：第一门将异步非阻塞特性放入自己语言中的，前端同学可以快速切入。但是 node.js 用回调(callback)实现异步非阻塞，代码写起来比较麻烦。
  • Python：3.4之后加入了异步的支持，比如异步io和aiohttp；3.5引入了协程。缺点是版本跨度大，因为很多人还是使用2.7。
  • Golang：最近几年非常火。缺点：代码写法上需要使用go关键字；线上热调试不方便（SystemTap 提供了有限的支持）。

Hello World

OpenResty安装

以 CentOS 为例：

mkdir /opt && cd /opt

# download openresty
wget https://openresty.org/download/openresty-1.13.6.2.tar.gz

tar zxvf openresty-1.13.6.2.tar.gz
cd openresty-1.13.6.2

# configure
./configure --prefix=/usr/local/openresty -j4

make -j4 && make install

其中 源码包可以到 https://openresty.org/cn/download.html 该页面获取。
-j4表示使用4核。configure那一步还可以指定各种参数：

./configure --prefix=/usr/local/openresty \
            --with-luajit \
            --without-http_redis2_module \
            --with-http_iconv_module \
            --with-http_postgres_module

使用 ./configure --help 查看更多的选项。

其它系统环境上安装可以参考 https://openresty.org/cn/installation.html 。

其实安装 OpenResty 和安装 Nginx 是类似的，因为 OpenResty 是基于 Nginx 开发的。

如果已经安装了 Nginx，又想使用 OpenResty 的功能，可以参考 《Nginx编译安装Lua》：https://www.cnblogs.com/52fhy/p/10164553.html 一文安装lua-nginx-module模块即可。

第一个程序

修改 /usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf:

worker_processes  1;
error_log logs/error.log;
events {
    worker_connections 1024;
}
http {
    server {
        listen 8080;
        location /hello {
            default_type text/html;
            content_by_lua '
                ngx.say("<p>hello, world</p>")
            ';
        }
    }
}

把默认的80端口改为8080，新增/hello部分。

其中content_by_lua便是 OpenResty 提供的指令，在官方文档可以搜索到：

现在我们启动OpenResty：

/usr/local/openresty/nginx/sbin/nginx

启动成功后，查看效果：

curl http://127.0.0.1:8080/hello
<p>hello, world</p>

说明成功运行了。

知识点：
1、content_by_lua：返回的内容使用 lua 代码。
2、content_by_lua_file：读取lua文件里的 lua 代码。
3、默认情况下，修改Lua代码，需要 reload OpenResty服务才会生效。可以修改lua_code_cache为off，作用域： http, server, location, location if。请勿在生产环境里开启。

测试1：使用content_by_lua_file

cd /usr/local/openresty
mkdir nginx/conf/lua
vim nginx/conf/lua/hello.lua

内容为：

ngx.say("<p>hello, lua world</p>")

然后修改 nginx.conf：

location /hello {
    default_type text/html;
    content_by_lua_file conf/lua/hello.lua;
}

重启 OpenResty：

$ ./nginx/sbin/nginx -s reload

启动成功后，查看效果：

$ curl http://127.0.0.1:8080/hello
<p>hello, lua world</p>

测试2：关闭lua_code_cache：
根据lua_code_cache作用域，我们可以在server块加上：

lua_code_cache off;
location /hello {
    default_type text/html;
    content_by_lua_file conf/lua/hello.lua;
}

然后重启：

$ ./nginx/sbin/nginx -s reload
nginx: [alert] lua_code_cache is off; this will hurt performance in /usr/local/openresty/nginx/conf/nginx.conf:43

提示说lua_code_cache关闭后影响性能。我们再次修改 nginx/conf/lua/hello.lua的代码，保存后就会生效，无需 reload server。

OpenResty 入门

这节使用 ngx_lua api完成一个小功能。

lua代码：
nginx/conf/lua/get_random_string.lua

-- 实现随机字符串

local args = ngx.req.get_uri_args()
local salt = args.salt

if not salt then
        ngx.exit(ngx.HTTP_BAD_REQUEST)
end

local str = ngx.md5(ngx.time() .. salt)
ngx.say(str)

修改 nginx.conf ，新增：

location /get_random_string {
    content_by_lua_file conf/lua/get_random_string.lua;
}

由于修改了 nginx.conf ，需要reload OpenResty 服务。然后，我们访问服务：

$ curl http://127.0.0.1:8080/get_random_string?salt=2
2d8231ff301ab0ce8b95c7e4c2c59574

$ curl http://127.0.0.1:8080/get_random_string?salt=2
c145db4ec45a6bf792ac30ed4246c563

说明：
1、ngx.req.get_uri_args()用于获取URI请求参数。
2、ngx.HTTP_BAD_REQUEST为ngx常量，指的是400。代码里尽量使用常量。
3、ngx.time()用于获取时间戳，是带有缓存的。与Lua的日期库不同，不涉及系统调用。尽量使用Ngx给出的方法，以免发生性能问题。
4、ngx.md5()用于生成md5值。
5、如果代码里有语法错误，我们可以通过nginx 的 error.log里看到，默认文件是 nginx/logs/error.log。

再次提醒大家，做 OpenResty 开发，lua-nginx-module 的文档是你的首选，Lua 语言的库都是同步阻塞的，用的时候要三思。也就是说，尽量使用 ngx_lua提供的api，而不是使用 Lua 本身的。例如ngx.sleep()与 lua提供的sleep，前者不会造成阻塞，后者是会阻塞的，详见：sleep · OpenResty最佳实践 。

ngx_lua API介绍

本节主要是带着大家简单的过一下常用的ngx_lua API。

ngx_lua 有60多个指令(Directive)，140多个 API（截止到2019-3-26）。

指令 是 ngx_lua 提供给Nginx调用的方法，与 Nginx自带的 location、rewrite等是一个级别的。指令有自己的作用域，例如：content_by_lua_file只能作用于 location和location if里面：

API 是指ngx_lua基于lua代码实现的一系列方法或常量，遵循 lua的语法规则。只能在lua代码块或者lua文件里使用。

例如：

content_by_lua '
    ngx.say("<p>hello, world</p>")
';

其中content_by_lua是指令，作用于location块；ngx.say()是 ngx_lua 提供的API。

在官方文档上可以找到指令及API所在的位置：

下面，我们使用 ngx_lua完成另外一个小功能：实现base64的解码并重新json编码输出。代码里会用到一些指令和API。

lua代码：
nginx/conf/lua/decode_info.lua

-- 实现base64的解码并重新json编码输出

local json = require "cjson"

ngx.req.read_body()
local args = ngx.req.get_post_args()

if not args or not args.info then
        ngx.exit(ngx.HTTP_BAD_REQUEST)
end

local client_ip = ngx.var.remote_var or '127.0.0.1'
local user_agnet = ngx.req.get_headers()['user_agent'] or ''
local info = ngx.decode_base64(args.info)

local res = {}
res.client_ip = client_ip
res.user_agnet = user_agnet
res.info = info

ngx.say(json.encode(res))

修改 nginx.conf ，新增：

location /decode_info {
    content_by_lua_file conf/lua/decode_info.lua;
}

由于修改了 nginx.conf ，需要 reload OpenResty 服务。然后，我们访问服务：

$ php -r "echo base64_encode('test');"
dGVzdA==
$ curl -XPOST -d "info=dGVzdA==" http://127.0.0.1:8080/decode_info
{"user_agnet":"curl\/7.19.7","client_ip":"127.0.0.1","info":"test"}

说明：
1、require是 lua 里面引入其他库的关键字。这里引入的 cjson。
2、当我们要读取 http里的post数据的时候，就需要使用ngx.req.read_body()。该API同步读取客户端请求主体而不阻塞Nginx事件循环。
3、ngx.req.get_post_args() 用于获取post请求数据。
4、ngx.var.remote_var实际是获取的nginx里的变量remote_var。也就是说，ngx.var.xxx实际是获取的nginx里的变量xxx。例如：

nginx变量详见：[Alphabetical index of variables}(http://nginx.org/en/docs/varindex.html)。 ngx_lua ngx.var API详见：ngx.var.VARIABLE。
5、ngx.req.get_headers() 用于读取nginx的header参数。返回的是lua table。
6、ngx.decode_base64()用于 base64字符串解码。对应的编码API是 ngx.encode_base64()。

防盗版声明：本文系原创文章，发布于公众号飞鸿影的博客(fhyblog)及博客园，转载需作者同意。

连接数据库

连接数据库我们需要使用到ngx_lua的第三方库：

这两个库都是基于cosocket实现的，特点是异步非阻塞。代码风格是同步的写法。更多第三方库详见：See Also 。

连接 MySQL

lua代码：
nginx/conf/lua/test_mysql.lua

local mysql = require "resty.mysql"

local db, err = mysql:new()
if not db then
    ngx.say("failed to instantiate mysql: ", err)
    return
end

db:set_timeout(1000) -- 1 sec

local ok, err, errcode, sqlstate = db:connect{
    host = "127.0.0.1",
    port = 3306,
    database = "ngx_test",
    user = "ngx_test",
    password = "ngx_test",
    charset = "utf8",
    max_packet_size = 1024 * 1024,
}

if not ok then
    ngx.say("failed to connect: ", err, ": ", errcode, " ", sqlstate)
    return
end

-- insert 
res, err, errcode, sqlstate =
    db:query("insert into cats (name) "
             .. "values (\'Bob\'),(\'\'),(null)")
if not res then
    ngx.say("bad result: ", err, ": ", errcode, ": ", sqlstate, ".")
    return
end

ngx.say(res.affected_rows, " rows inserted into table cats ",
        "(last insert id: ", res.insert_id, ")")

-- run a select query, expected about 10 rows in the result set
res, err, errcode, sqlstate =
    db:query("select * from cats order by id asc", 10)
if not res then
    ngx.say("bad result: ", err, ": ", errcode, ": ", sqlstate, ".")
    return
end

local cjson = require "cjson"
ngx.say("result: ", cjson.encode(res))

-- close connection
local ok, err = db:close()
if not ok then
     ngx.say("failed to close: ", err)
     return
end

修改 nginx.conf ，新增：

location /test_mysql {
    content_by_lua_file conf/lua/test_mysql.lua;
}

由于修改了 nginx.conf ，需要 reload OpenResty 服务。然后，我们访问服务：

$ http://127.0.0.1:8080/test_mysql

连接 Redis

lua代码：
nginx/conf/lua/test_redis.lua

local redis = require "resty.redis"

local red = redis:new()
red:set_timeout(1000) -- 1 sec

local ok, err = red:connect("127.0.0.1", 6379)
if not ok then
    ngx.say("failed to connect: ", err)
    return
end

ok, err = red:set("dog", "an animal")
if not ok then
    ngx.say("failed to set dog: ", err)
    return
end

ngx.say("set result: ", ok)

local res, err = red:get("dog")
if not res then
    ngx.say("failed to get dog: ", err)
    return
end

if res == ngx.null then
    ngx.say("dog not found.")
    return
end

ngx.say("dog: ", res)

-- close the connection right away
local ok, err = red:close()
if not ok then
     ngx.say("failed to close: ", err)
     return
end

修改 nginx.conf ，新增：

location /test_redis {
    content_by_lua_file conf/lua/test_redis.lua;
}

由于修改了 nginx.conf ，需要 reload OpenResty 服务。然后，我们访问服务：

$ http://127.0.0.1:8080/test_redis

更多参考：
redis 接口的二次封装（简化建连、拆连等细节） · OpenResty最佳实践

OpenResty 缓存

使用 Lua shared dict

使用的话首先需要在 nginx.conf 加上一句：

lua_shared_dict my_cache 128m;

这个my_cache就是申请 Lua shared dict 缓存， 下面示例里会用到。

这个缓存是 Nginx 所有 worker 之间共享的，内部使用的 LRU 算法（最近最少使用）来判断缓存是否在内存占满时被清除。

function get_from_cache(key)
    local cache_ngx = ngx.shared.my_cache
    local value = cache_ngx:get(key)
    return value
end

function set_to_cache(key, value, exptime)
    if not exptime then
        exptime = 0
    end

    local cache_ngx = ngx.shared.my_cache
    local succ, err, forcible = cache_ngx:set(key, value, exptime)
    return succ
end

更多支持的命令详见：https://github.com/openresty/lua-nginx-module#ngxshareddict 。

使用 Lua LRU cache

这个 cache 是 worker 级别的，不会在 Nginx wokers 之间共享。并且，它是预先分配好 key 的数量，而 shared dict 需要自己用 key 和 value 的大小和数量，来估算需要把内存设置为多少。

官方示例：
myapp.lua

local _M = {}

-- alternatively: local lrucache = require "resty.lrucache.pureffi"
local lrucache = require "resty.lrucache"

-- we need to initialize the cache on the lua module level so that
-- it can be shared by all the requests served by each nginx worker process:
local c, err = lrucache.new(200)  -- allow up to 200 items in the cache
if not c then
    return error("failed to create the cache: " .. (err or "unknown"))
end

function _M.go()
    c:set("dog", 32)
    c:set("cat", 56)
    ngx.say("dog: ", c:get("dog"))
    ngx.say("cat: ", c:get("cat"))

    c:set("dog", { age = 10 }, 0.1)  -- expire in 0.1 sec
    c:delete("dog")

    c:flush_all()  -- flush all the cached data
end

return _M

nginx.conf


http {
    lua_package_path "/path/to/lua-resty-lrucache/lib/?.lua;;";

    server {
        listen 8080;

        location = /t {
            content_by_lua '
                require("myapp").go()
            ';
        }
    }
}

更多支持的命令详见：https://github.com/openresty/lua-resty-lrucache 。

那么这两个缓存 如何选择 ？

shared.dict 使用的是共享内存，每次操作都是全局锁，如果高并发环境，不同 worker 之间容易引起竞争。所以单个 shared.dict 的体积不能过大。lrucache 是 worker 内使用的，由于 Nginx 是单进程方式存在，所以永远不会触发锁，效率上有优势，并且没有 shared.dict 的体积限制，内存上也更弹性，但不同 worker 之间数据不同享，同一缓存数据可能被冗余存储。

你需要考虑的，一个是 Lua lru cache 提供的 API 比较少，现在只有 get、set 和 delete，而 ngx shared dict 还可以 add、replace、incr、get_stale（在 key 过期时也可以返回之前的值）、get_keys（获取所有 key，虽然不推荐，但说不定你的业务需要呢）；第二个是内存的占用，由于 ngx shared dict 是 workers 之间共享的，所以在多 worker 的情况下，内存占用比较少。

本节内容参考来自：https://moonbingbing.gitbooks.io/openresty-best-practices/content/ngx_lua/cache.html

FFI和第三方模块

FFI

FFI是 LuaJIT 中的一个扩展库，它允许我们使用 Lua 代码调用C语言的数据结构和函数。

FFI库在很大程度上避免了在C中编写繁琐的手动 Lua/C 绑定的需要。无需学习单独的绑定语言 - 它解析普通的C声明！这些可以从C头文件或参考手册中剪切粘贴。

如何调用外部C库函数呢？
1、加载FFI库。
2、为函数添加C声明。
3、调用命名的C函数。

看一个官方提供的简单示例：

-- test_ffi.lua

local ffi = require("ffi")
ffi.cdef[[
int printf(const char *fmt, ...);
]]
ffi.C.printf("Hello %s!", "world")

我们运行：

$ luajit test_ffi.lua
Hello world!

详见：http://luajit.org/ext_ffi.html

增加第三方模块

默认的 resty 库所在位置：

$ pwd
/usr/local/openresty
$ ls lualib/
cjson.so  ngx/      rds/      redis/    resty/    
$ ls lualib/resty/
aes.lua   limit/         md5.lua        redis.lua   sha384.lua  upload.lua
core/      lock.lua      memcached.lua  sha1.lua    sha512.lua  upstream/
core.lua  lrucache/      mysql.lua      sha224.lua  sha.lua     websocket/
dns/       lrucache.lua  random.lua     sha256.lua  string.lua

现在以安装 lua-resty-http 为例：

$ cd /opt

# 下载并解压
$  wget https://github.com/ledgetech/lua-resty-http/archive/v0.13.tar.gz && tar zxvf v0.13.tar.gz 

# 复制到resty目录即可
$ cp -r lua-resty-http-0.13/lib/resty/* /usr/local/openresty/lualib/resty/

# 查看安装的模块
$ cd /usr/local/openresty/lualib/resty/ && ls http*
http_headers.lua  http.lua

使用示例：

local http = require "resty.http"
local httpc = http.new()

local res, err = httpc:request_uri("http://example.com/helloworld", {
    method = "POST",
    body = "a=1&b=2",
    headers = {
      ["Content-Type"] = "application/x-www-form-urlencoded",
    },
    keepalive_timeout = 60,
    keepalive_pool = 10
})

if not res then
    ngx.say("failed to request: ", err)
    return
end

ngx.status = res.status

for k,v in pairs(res.headers) do
  --
end

ngx.say(res.body)

子查询

子查询只是模拟 HTTP 接口的形式， 没有 额外的 HTTP/TCP 流量，也 没有 IPC (进程间通信) 调用。所有工作在内部高效地在 C 语言级别完成。

子查询只能在一个 location 里调用其它 一个或多个 `location。

  • res = ngx.location.capture(uri, options?) 发起子查询
    返回一个包含四个元素的 Lua 表 (res.status, res.header, res.body, 和 res.truncated)。
    作用域：rewrite_by_lua *，access_by_lua *，content_by_lua *。

示例：

res = ngx.location.capture(
     '/foo/bar',
     { method = ngx.HTTP_POST, body = 'hello, world' }
 )
  • res1, res2, ... = ngx.location.capture_multi({ {uri, options?}, {uri, options?}, ... }) 发起多个并发子查询
    作用域：rewrite_by_lua *，access_by_lua *，content_by_lua *。

示例：

res1, res2, res3 = ngx.location.capture_multi{
     { "/foo", { args = "a=3&b=4" } },
     { "/bar" },
     { "/baz", { method = ngx.HTTP_POST, body = "hello" } },
 }

 if res1.status == ngx.HTTP_OK then
     ...
 end

 if res2.body == "BLAH" then
     ...
 end

作用：
减少网络请求。
方便配置降级服务。

子查询文档参考： https://github.com/openresty/lua-nginx-module#ngxlocationcapture

执行阶段

下面这个图是 ngx_lua 各个指令的执行顺序。

执行阶段说明：

  • set_by_lua*: 流程分支处理判断变量初始化
  • rewrite_by_lua*: 转发、重定向、缓存等功能(例如特定请求代理到外网)
  • access_by_lua*: IP 准入、接口权限等情况集中处理(例如配合 iptable 完成简单防火墙)
  • content_by_lua*: 内容生成
  • header_filter_by_lua*: 响应头部过滤处理(例如添加头部信息)
  • body_filter_by_lua*: 响应体过滤处理(例如完成应答内容统一成大写)
  • log_by_lua*: 会话完成后本地异步完成日志记录(日志可以记录在本地，还可以同步到其他机器)

由于 Nginx 把一个请求分成了很多阶段，这样第三方模块就可以根据自己行为，挂载到不同阶段进行处理达到目的。不同的阶段，有不同的处理行为，理解了他，也能更好的理解 Nginx 的设计思维。

总结与自学

1、如何自学
《OpenResty最佳实践》
2、遇到问题怎么办

  1. 看 nginx 的error.log
  2. 疑难问题把可复现信息在官方邮件组里反馈
  3. 善用Google
  4. QQ交流群

参考

1、OpenResty® - 中文官方站
https://openresty.org/cn/
2、openresty/lua-nginx-module: Embed the Power of Lua into NGINX HTTP servers
https://github.com/openresty/lua-nginx-module#version
3、FFI Library
http://luajit.org/ext_ffi.html
4、luajit FFI简单使用(1) - Abel's Blog - CSDN博客
https://blog.csdn.net/erlang_hell/article/details/52836467
5、OpenResty最佳实践
https://moonbingbing.gitbooks.io/openresty-best-practices/

posted @ 2019-03-28 00:16  飞鸿影  阅读(2783)  评论(2)  编辑  收藏  举报