Nginx缓存机制详解


纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。

Nginx 缓存作为性能优化的一个重要手段,可以极大减轻后端服务器的负载。下面我们将介绍 Nginx 缓存配置的相关指令以及 http 缓存机制,以及 Nginx 缓存实践案例分析。

Nginx缓存机制详解 - 缓存示意图


1. Nginx 缓存示例

实例演示,缓存是怎么出现的,怎么查看!

当我们代开某个网站,如 baidu.com,我们可以看到 size 这一列有一些 js 标识为 disk cache,这里就是应用到了缓存。

Nginx缓存机制详解 - 缓存截图

Nginx缓存机制详解 - 缓存截图


2. HTTP 缓存机制

HTTP 的缓存流程如下图所示

  • 缓存,可以分为强制缓存和对比缓存。

Nginx缓存机制详解 - 浏览器缓存处理流程图


3. Nginx 强制缓存

介绍强制缓存是什么?以及可能造成这个原因的配置参数!

浏览器不会向服务器发送任何请求,直接从本地缓存中读取缓存数据并返回 200 状态码,如下图所示。如果缓存过期再找服务器,其过程如下:

Nginx缓存机制详解 - 强制缓存示意图

Nginx缓存机制详解 - 缓存截图


可以造成强制缓存的字段,有如下几个:

  • Expires
    • 位置: HTTP Response Header
    • 说明: Expires 是服务端返回的到期时间。如果下一次请求如果小于服务端返回的过期时间,则直接使用缓存数据。ExpiresHTTP1.0 的东西,现在浏览器默认都是使用 HTTP1.1。而且由于该值是有服务端生成,而客户端的时间和服务端的时间有可能不一致,导致存在一定误差。所以 HTTP1.1 使用 Cache-Control 替代。
# 示例
Expires: Mon, 22 Jul 2019 11:08:59 GMT
  • Cache-Control
    • 位置: HTTP Response Header
    • 说明: 缓存策略定义
    • max-age: 标识资源能够被缓存的最大时间
    • public: 表示该响应任何中间人,包括客户端和代理服务器都可以缓存
    • private: 表示该响应只能用于浏览器私有缓存中,中间人(代理服务器)不能缓存此响应
    • no-cache: 需要使用对比缓存(Last-Modified/If-Modified-Since/Etag/If-None-Match)来验证缓存数据
    • no-store: 所有内容都不会缓存,强制缓存和对比缓存都不会触发

4. Nginx 对比缓存

介绍使用缓存和不使用缓存的区别和对比!

浏览器在第一次请求数据时,服务器会将缓存的标识与数据一起返回给浏览器,浏览器将这两个缓存到本地缓存数据库中。

再次请求数据时,就会在请求 header 中带上缓存的标识发送给服务器,服务器根据缓存标识对比,如果发生变化,则返回 200 状态码,返回完整的响应数据给浏览器,如果未发生更新,则返回 304 状态码告诉浏览器继续使用缓存数据。

Nginx缓存机制详解 - 对比缓存示意图

如下图比较所示,在第一次请求时,没有使用缓存。而在第二次使用缓存时,可以明显看到两者请求的时间不一样,后者时间少很多。这是因为服务端如果进行缓存比较后发现未更新,只返回 header 部分,并返回 304 状态码通知客户端使用本地缓存,没有将报文的 body 部分返回给浏览器,所以请求时间和报文大小才明显优化。别小看这几十毫秒,当访问量很大时,这里就优化了很多时间、减少了很多服务器压力。

  • 第一次访问,未使用缓存:

Nginx缓存机制详解 - 使用缓存前时间和大小

  • 第二次访问,使用缓存:

Nginx缓存机制详解 - 使用缓存后示意图

  • HTTP 请求和响应报文结构如下图所示:

Nginx缓存机制详解 - http请求和响应报文结构


会造成对比缓存的字段如下:

  • Last-Modified
    • 位置: HTTP Response Header
    • 说明: 第一次请求时,服务器会在响应头里设置该参数,告诉浏览器该资源的最后修改时间。
# 示例
Last-Modified: Tue, 12 Jan 2010 13:48:00 GMT
  • If-Modified-Since
    • 位置: HTTP Request Header
    • 说明: 再次(注意不是第一次)请求服务器时,客户端浏览器通过此字段通知服务器上次请求时,服务器返回的资源最后修改时间。服务器收到请求后,发现 header 中有 If-Modified-Since 字段,则与被请求资源的最后修改时间进行对比。若资源的最后修改时间大于 If-Modified-Since,则说明资源被修改过,则响应返回完整的内容,返回状态码 200。 若资源的最后修改时间小于或等于 If-Modified-Since,则说明资源未修改,则返回 304 状态码,告诉浏览器继续使用所保存的缓存数据。
  • Etag
    • 位置: HTTP Response Header
    • 说明: 服务器响应请求时,告诉浏览器当前资源在服务器的唯一标识(由服务端生成)。
    • 优先级: 高于 Last-Modified 与 If-Modified-Since

Nginx缓存机制详解 - Etag

  • If-None-Match
    • 位置: HTTP Request Header
    • 说明: 再次请求服务器时,通过此字段通知服务器客户端缓存的资源的唯一标识。服务器收到请求 header 周发现有 If-None-Match 字段,则与被请求资源的唯一标识进行对比。 如果不一样,说明资源被修改过,则返回完整的响应,状态码 200。 如果一样,说明资源未被修改过,则返回 304 状态码,告诉浏览器继续使用缓存的数据。

5. Nginx 缓存实践

实际配置和演示一下,使用缓存的效果!

  • 配置文件的内容,如下所示:
user  nginx;
pid /run/nginx.pid;
worker_processes  auto;
worker_rlimit_nofile 100000;

events {
    worker_connections  2048;
    multi_accept on;
}

http {
    sendfile on;

    access_log off;
    error_log  /data/log/nginx-1.0/error.log  error;

    proxy_cache_path /data/nginx-1.0/cache levels=1:2 keys_zone=cache_zone:10m inactive=60m;



    server {
        listen 80;
        server_name localhost;
        root /usr/local/services/nginx-1.0/html/;

        location / {

        }

        location ~.*\.(gif|jpg|png|css|js)(.*) {
            proxy_cache cache_zone;
            proxy_cache_valid 200 302 24h;
            expires 1d;
            add_header X-Proxy-Cache $upstream_cache_status;
        }
    }
}
  • 实际的测试情况,如下所示:
[[email protected]_16_4_centos conf]# curl -I http://localhost/test.js
HTTP/1.1 200 OK
Server: nginx/1.14.0
Date: Sun, 21 Jul 2019 12:35:06 GMT
Content-Type: text/plain
Content-Length: 12
Last-Modified: Sun, 21 Jul 2019 12:33:32 GMT
Connection: keep-alive
ETag: "5d345b9c-c"
Expires: Mon, 22 Jul 2019 12:35:06 GMT
Cache-Control: max-age=86400
Accept-Ranges: bytes

  • 我们再以图片为例,当我们第一次请求 http://localhost/google_logo.jpg,服务端返回了该资源的唯一标识 Etag 给我们。

Nginx缓存机制详解

Nginx缓存机制详解

  • 我们第二次请求时,可以发现 http 报文的体积和响应实践大大缩减,说明我们的缓存发回了作用。

Nginx缓存机制详解

Nginx缓存机制详解


6. 相关的参考链接

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文章作者: Escape
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