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Nginx + CGI/FastCGI + C/Cpp

2014-12-19 11:05 by 吴秦, ... 阅读, ... 评论, 收藏, 编辑

接着上篇《Nginx安装与使用》,本篇介绍CGI/FASTCGI的原理、及如何使用C/C++编写简单的CGI/FastCGI,最后将CGI/FASTCGI部署到nginx。内容大纲如下:

1.     CGI

1.1.     环境变量

1.2.     标准输入

2.     FastCGI

3. nginx cgi/fastcgi

3.1. nginx + fastcgi

3.1.1. spawn-fcgi

3.1.2. 编写fastcgi应用程序

3.1.3. nginx fastcgi配置

3.2. nginx + cgi

3.2.1 fastcgi-wrapper

3.2.2. nginx fcgiwrap配置

3.2.3. 编写cgi应用程序

参考链接

 

1.CGI

通用网关接口Common Gateway Interface/CGI描述了客户端和服务器程序之间传输数据的一种标准,可以让一个客户端,从网页浏览器向执行在网络服务器上的程序请求数据。CGI 独立于任何语言的,CGI 程序可以用任何脚本语言或者是完全独立编程语言实现,只要这个语言可以在这个系统上运行。Unix shell script, Python, Ruby, PHP, perl, Tcl, C/C++,  Visual Basic 都可以用来编写 CGI 程序。(http://www.dwz.cn/yFFgQ)

最初,CGI 是在 1993 年由美国国家超级电脑应用中心NCSA)为 NCSA HTTPd Web 服务器开发的。这个 Web 服务器使用了 UNIX shell 环境变量 来保存从 Web 服务器传递出去的参数,然后生成一个运行 CGI 的独立的进程cgi的处理流程如下图所示:

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l   step1. web 服务器收到客户端(浏览器)的请求Http Request,启动CGI程序,并通过环境变量标准输入传递数据

l   step2. cgi进程启动解析器、加载配置(如业务相关配置)、连接其它服务器(如数据库服务器)、逻辑处理等

l   step3. cgi程将处理结果通过标准输出标准错误,传递给web 服务器

l   step4. web 服务器收到cgi返回的结果,构建Http Response返回给客户端,并杀死cgi进程

web服务器与cgi通过环境变量、标准输入、标准输出、标准错误互相传递数据。

1.1.环境变量

GET请求,它将数据打包放置在环境变量QUERY_STRING中,CGI从环境变量QUERY_STRING中获取数据。常见的环境变量如下表所示:

环境变数

内容

AUTH_TYPE

存取认证类型。

CONTENT_LENGTH

由标准输入传递给CGI程序的数据长度,以bytes或字元数来计算。

CONTENT_TYPE

请求的MIME类型。

GATEWAY_INTERFACE

服务器的CGI版本编号。

HTTP_ACCEPT

浏览器能直接接收的Content-types, 可以有HTTP Accept header定义.

HTTP_USER_AGENT

递交表单的浏览器的名称、版本 和其他平台性的附加信息。

HTTP_REFERER

递交表单的文本的 URL,不是所有的浏览器都发出这个信息,不要依赖它

PATH_INFO

传递给cgi程式的路径信息。

QUERY_STRING

传递给CGI程式的请求参数,也就是用"?"隔开,添加在URL后面的字串。

REMOTE_ADDR

client端的host名称。

REMOTE_HOST

client端的IP位址。

REMOTE_USER

client端送出来的使用者名称。

REMOTE_METHOD

client端发出请求的方法(如getpost)。

SCRIPT_NAME

CGI程式所在的虚拟路径,如/cgi-bin/echo

SERVER_NAME

serverhost名称或IP地址。

SERVER_PORT

收到requestserver端口。

SERVER_PROTOCOL

所使用的通讯协定和版本编号。

SERVER_SOFTWARE

server程序的名称和版本。

1.2.标准输入

环境变量的大小是有一定的限制的,当需要传送的数据量大时,储存环境变量的空间可能会不足,造成数据接收不完全,甚至无法执行CGI程序。因此后来又发展出另外一种方法:POST,也就是利用I/O重新导向的技巧,让CGI程序可以由STDINSTDOUT直接跟浏览器沟通。
当我们指定用这种方法传递请求的数据时,web 服务器收到数据后会先放在一块输入缓冲区中,并且将数据的大小记录在CONTENT_LENGTH这个环境变数,然后调用CGI程式并将CGI程序的STDIN指向这块缓冲区,于是我们就可以很顺利的通过STDIN和环境变数CONTENT_LENGTH得到所有的资料,再没有资料大小的限制了。
 

总结:CGI使外部程序与Web服务器之间交互成为可能。CGI程式运行在独立的进程中,并对每个Web请求建立一个进程,这种方法非常容易实现,但效率很差,难以扩展。面对大量请求,进程的大量建立和消亡使操作系统性能大大下降。此外,由于地址空间无法共享,也限制了资源重用。

2.FastCGI

快速通用网关接口(Fast Common Gateway InterfaceFastCGI)是通用网关接口CGI)的改进,描述了客户端和服务器程序之间传输数据的一种标准。FastCGI致力于减少Web服务器CGI程式之间互动的开销,从而使服务器可以同时处理更多的Web请求。与为每个请求创建一个新的进程不同,FastCGI使用持续的进程来处理一连串的请求。这些进程由FastCGI进程管理器管理,而不是web服务器。(http://www.dwz.cn/yFMap)

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当进来一个请求时,Web 服务器把环境变量和这个页面请求通过一个unix domain socket(都位于同一物理服务器)或者一个IP SocketFastCGI部署在其它物理服务器)传递给FastCGI进程。

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l  step1. Web 服务器启动时载入初始化FastCGI执行环境  例如IIS ISAPIapache mod_fastcginginx ngx_http_fastcgi_modulelighttpd mod_fastcgi

l  step2. FastCGI进程管理器自身初始化,启动多个CGI解释器进程并等待来自Web 服务器的连接。启动FastCGI进程时,可以配置以ipUNIX socket两种方式启动。 

l  step3. 当客户端请求到达Web 服务器时, Web 服务器将请求采用socket方式转发到 FastCGI主进程,FastCGI主进程选择并连接到一个CGI解释器。Web 服务器将CGI环境变量和标准输入发送到FastCGI子进程。

l  step4. FastCGI子进程完成处理后将标准输出和错误信息从同一socket连接返回Web 服务器。当FastCGI子进程关闭连接时,请求便处理完成。

l  step5. FastCGI子进程接着等待并处理来自Web 服务器的下一个连接。

由于 FastCGI 程序并不需要不断的产生新进程,可以大大降低服务器的压力并且产生较高的应用效率。它的速度效率最少要比CGI 技术提高 5 倍以上。它还支持分布式的部署, FastCGI 程序可以在web 服务器以外的主机上执行。

总结:CGI 就是所谓的短生存期应用程序,FastCGI 就是所谓的长生存期应用程序。FastCGI像是一个常驻(long-live)型的CGI,它可以一直执行着,不会每次都要花费时间去fork一次(这是CGI最为人诟病的fork-and-execute 模式)

3.nginx cgi/fastcgi

nginx 不能像apache那样直接执行外部可执行程序,但nginx可以作为代理服务器,将请求转发给后端服务器,这也是nginx的主要作用之一。其中nginx就支持FastCGI代理,接收客户端的请求,然后将请求转发给后端fastcgi进程。下面介绍如何使用C/C++编写cgi/fastcgi,并部署到nginx中。

3.1. nginx + fastcgi

通过前面的介绍知道,fastcgi进程由FastCGI进程管理器管理,而不是nginx。这样就需要一个FastCGI管理,管理我们编写fastcgi程序。本文使用spawn-fcgi作为FastCGI进程管理器。

3.1.1. spawn-fcgi

spawn-fcgi是一个通用的FastCGI进程管理器,简单小巧,原先是属于lighttpd的一部分,后来由于使用比较广泛,所以就迁移出来作为独立项目了。spawn-fcgi使用pre-fork 模型,功能主要是打开监听端口,绑定地址,然后fork-and-exec创建我们编写的fastcgi应用程序进程,退出完成工作。fastcgi应用程序初始化,然后进入死循环侦听socket的连接请求。

安装spawn-fcgi

l  获取spawn-fcgi编译安装包,在http://redmine.lighttpd.net/projects/spawn-fcgi/wiki上可以获取当前最新的版本。

l  解压缩spawn-fcgi-x.x.x.tar.gz包。

l  进入解压缩目录,执行./configure

l  make & make install

如果遇到以下错误:“ ./autogen.sh: x: autoreconf: not found”,因为没有安装automake 工具,ubuntu用下面的命令安装好就可以了:sudo apt-get install autoconf automake libtool

spawn-fcgi的帮助信息可以通过man spawn-fcgispawn-fcgi h获得,下面是部分常用spawn-fcgi参数信息:

-f <fcgiapp> 指定调用FastCGI的进程的执行程序位置

-a <addr> 绑定到地址addr

-p <port> 绑定到端口port

-s <path> 绑定到unix domain socket

-C <childs> 指定产生的FastCGI的进程数,默认为5。(仅用于PHP

-P <path> 指定产生的进程的PID文件路径。

-F <childs> 指定产生的FastCGI的进程数(CCGI用这个)

-u-g FastCGI使用什么身份(-u 用户 -g 用户组)运行,CentOS下可以使用apache用户,其他的根据情况配置,如nobodywww-data等。

3.1.2. 编写fastcgi应用程序

使用C/C++编写fastcgi应用程序,可以使用FastCGI软件开发套件或者其它开发框架,如fastcgi++

本文使用FastCGI软件开发套件——fcgihttp://www.fastcgi.com/drupal/node/6?q=node/21),通过此套件可以轻松编写fastcgi应用程序,安装fcgi

l  获取fcgi编译安装包,在http://www.fastcgi.com/drupal/node/5上可以获取当前最新的版本。

l  解压缩fcgi-x.x.x.tar.gz包。

l  进入解压缩目录,执行./configure

l  make & make install

如果编译提示一下错误:

fcgio.cpp: In destructor 'virtual fcgi_streambuf::~fcgi_streambuf()':

fcgio.cpp:50: error: 'EOF' was not declared in this scope
fcgio.cpp: In member function 'virtual int fcgi_streambuf::overflow(int)':
fcgio.cpp:70: error: 'EOF' was not declared in this scope
fcgio.cpp:75: error: 'EOF' was not declared in this scope
fcgio.cpp: In member function 'virtual int fcgi_streambuf::sync()':
fcgio.cpp:86: error: 'EOF' was not declared in this scope
fcgio.cpp:87: error: 'EOF' was not declared in this scope
fcgio.cpp: In member function 'virtual int fcgi_streambuf::underflow()':
fcgio.cpp:113: error: 'EOF' was not declared in this scope
make[2]: *** [fcgio.lo] Error 1
make[2]: Leaving directory `/root/downloads/fcgi-2.4.1-SNAP-0910052249/libfcgi'
make[1]: *** [all-recursive] Error 1
make[1]: Leaving directory `/root/downloads/fcgi-2.4.1-SNAP-0910052249'

make: *** [all] Error 2

解决办法:在/include/fcgio.h文件中加上 #include <cstdio>,然后再编译安装就通过了。

如果提示找不到动态库,请在LD_LIBRARY_PATH/etc/ld.so.conf中添加fcgi的安装路径,如/usr/local/lib,并执行ldconfig更新一下。

#include "fcgi_stdio.h"

#include <stdlib.h>

 

int main(void)

{

    int count = 0;

    while (FCGI_Accept() >= 0)

        printf("Content-type: text/html\r\n"

        "\r\n"

        "<title>FastCGI Hello!</title>"

        "<h1>FastCGI Hello!</h1>"

        "Request number %d running on host <i>%s</i>\n",

        ++count, getenv("SERVER_NAME"));

    return 0;

}
 

编译g++ main.cpp -o demo –lfcgi,并将demo部署到/opt/nginx-1.7.7/cgi-bin/目录

通过spawn-fcgi启动c/c++编写好的fastcgi程序:/opt/nginx-1.7.7/sbin/spawn-fcgi -a 127.0.0.1 -p 8081 -f /opt/nginx-1.7.7/cgi-bin/demo 

3.1.3. nginx fastcgi配置

关于nginx的几个配置文件解析,可以参阅《Nginx安装与使用http://www.cnblogs.com/skynet/p/4146083.html,在上篇的nginx.conf基础上增加下面的fastcgi配置。

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这样nginx收到http://localhost/demo.cgi请求时,会匹配到location = /demo.cgi块,将请求传到后端的fastcgi应用程序处理。如下如所示:(注意其中number80,是因为我请求了80次)

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3.2. nginx + cgi

nginx 不能直接执行外部可执行程序,并且cgi是接收到请求时才会启动cgi进程,不像fastcgi会在一开就启动好,这样nginx天生是不支持 cgi 的。nginx 虽然不支持cgi,但它支持 fastCGI。所以,我们可以考虑使用fastcgi包装来支持 cgi。原理大致如下图所示:pre-fork几个通用的代理fastcgi程序——fastcgi-wrapperfastcgi-wrapper启动执行cgi然后将cgi的执行结果返回给nginxfork-and-exec)。

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明白原理之后,编写一个fastcgi-warpper也比较简单。网上流传比较多的一个解决方案是,来自nginx wikihttp://wiki.nginx.org/SimpleCGI)上的使用perlfastcgi包装脚本cgiwrap-fcgi.pl。但我对perl不是很感冒,下面给出一个C/C++写的fastcgi-wrapper

3.2.1. fastcgi-wrapper

其实编写C/C++fastcgi-wrapper,就是写一个C/C++fastcgi,步骤和原理跟前面的小节(nginx+fastcgi)一样。github上已经有人开源了,C写的fastcgi-wrapperhttps://github.com/gnosek/fcgiwrap

安装fcgiwrap

l  下载(https://github.com/gnosek/fcgiwrap.git

l  解压缩fcgiwrap,进入解压目录

l  autoreconf -i

l  ./configure

l  make && make install

启动fastcgi-wrapper/opt/nginx-1.7.7/sbin/spawn-fcgi -f /usr/local/sbin/fcgiwrap -p 8081

3.2.2. nginx fcgiwrap配置

nginx.conf中增加下面的loaction配置块,这样所有的xxx.cgi请求都会走到fcgiwrap,然后fcgiwrap会执行cgi-bin目录下的cgi程序。

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3.2.3. 编写cgi应用程序

 

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

 

int main(void)

{

    int count = 0;

    printf("Content-type: text/html\r\n"

        "\r\n"

        "<title>CGI Hello!</title>"

 

        "<h1>CGI Hello!</h1>"

        "Request number %d running on host <i>%s</i>\n",

        ++count, getenv("SERVER_NAME"));

    return 0;

}

 

tyler@ubuntu:~/ClionProjects/HelloFastCGI$ g++ cgi.cpp -o cgidemo -lfcgi

tyler@ubuntu:~/ClionProjects/HelloFastCGI$ sudo cp cgidemo /opt/nginx-1.7.7/cgi-bin/

 

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注意图中的请求次数一直都是1,因为cgi的模式是fork-and-exec,每次都是一个新的进程。

参考链接

l  CGI, http://www.dwz.cn/yFFgQ

l  fastcgi, http://www.dwz.cn/yFMap

l  spawn-fcgi, http://redmine.lighttpd.net/projects/spawn-fcgi/wiki

l  fcgi, http://www.fastcgi.com/drupal/node/6?q=node/21

l  fcgiwrap, https://github.com/gnosek/fcgiwrap.git