面試官：我想用Nginx提升系統(tǒng)10倍性能，你有哪些建議?

譯者：為之漫筆

來源：www.zcfy.cc/article/10-tips-for-10x-application-performance-nginx-22.html

原文：https://www.nginx.com/blog/10-tips-for-10x-application-performance/

提升Web應(yīng)用的性能從未像今天這樣刻不容緩。

在線經(jīng)濟(jì)活動的比例日益提高，就連發(fā)展中國家和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)活動都已經(jīng)有5%以上在線進(jìn)行了（相關(guān)數(shù)據(jù)請參考本文后面的資源）。在這個超級鏈接、隨時在線的現(xiàn)代世界，用戶的期望也遠(yuǎn)非昔日可比。如果你的網(wǎng)站不能馬上響應(yīng)，你的應(yīng)用不能立即運(yùn)行，用戶轉(zhuǎn)身就會投奔你的競爭對手。

亞馬遜大約10年前的一項(xiàng)研究表明，頁面加載時間減少1/10秒，能夠使其營收增長1%。另一項(xiàng)近期的調(diào)查也顯示，一多半受訪站點(diǎn)所有者提到因?yàn)樽约簯?yīng)用的性能不佳導(dǎo)致了收入減少或者用戶流失。

一個網(wǎng)站到底多快才行？頁面加載每花1秒鐘，就有大約4%的用戶走掉。排名最靠前的電商站點(diǎn)的首次交互時間為1至3秒，這個區(qū)間的轉(zhuǎn)換率最高。顯而易見，Web應(yīng)用性能的重要性與日俱增。

如果你的Web應(yīng)用只跑在一臺機(jī)器上，那要提升其性能非常簡單：換一臺更快的，多配幾個處理器，多加幾條內(nèi)存，磁盤陣列也要高速的。換了以后，這臺機(jī)器上跑的WordPress服務(wù)器、Node.js或Java應(yīng)用速度都會加快。（要是應(yīng)用還會訪問另一臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，那也簡單：找兩臺更快的機(jī)器，用更快的網(wǎng)絡(luò)連起來就行了）

麻煩在于，機(jī)器速度并不是問題。很多時候Web應(yīng)用慢，是因?yàn)橐诟鞣N任務(wù)之間切換，一會兒要處理數(shù)千個連接上的用戶請求，一會兒要向磁盤讀寫文件，一會兒又要運(yùn)行應(yīng)用的代碼，一會兒又要去干別的。應(yīng)用服務(wù)器因此可能出現(xiàn)各種狀況，耗盡內(nèi)存、交換文件，或者讓很多請求等待一個硬盤I/O之類的任務(wù)。

除了升級硬件，其實(shí)你還可以選擇另外一種完全不同的方法：加一臺反向代理服務(wù)器，分擔(dān)上述一些任務(wù)。反向代理服務(wù)器位于運(yùn)行應(yīng)用的機(jī)器之前，負(fù)責(zé)處理來自外網(wǎng)的請求。反向代理服務(wù)器直接連到互聯(lián)網(wǎng)，它與應(yīng)用服務(wù)器通信使用的是快速的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

• 負(fù)載均衡（參見“建議二”），反向代理服務(wù)器上運(yùn)行負(fù)載均衡服務(wù)，把流量平均分配給幾臺應(yīng)用服務(wù)器。有了負(fù)載均衡，添加應(yīng)用服務(wù)器根本不需要修改應(yīng)用。
• 緩存靜態(tài)文件（參見“建議三”），圖片或代碼之類的可以直接請求的文件，都可以保存在反向代理服務(wù)器中，以便直接發(fā)給客戶端。這樣不僅可以更快地響應(yīng)請求，還能減輕應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，加快其運(yùn)行速度。
• 保證站點(diǎn)安全，可以配置反向代理服務(wù)器提升其安全級別，通過它監(jiān)控來快速識別和響應(yīng)攻擊，從而保存應(yīng)用服務(wù)器安全。

傳統(tǒng)服務(wù)器與NGINX Worker的比較

增加負(fù)載均衡服務(wù)器相對簡單，但卻能顯著提升站點(diǎn)性能和安全性。通過它把流量分配給多個服務(wù)器，就可以不必升級Web服務(wù)器了。就算應(yīng)用本身寫得不太好，或者難以擴(kuò)展，負(fù)載均衡都可以在不做其他改變的情況下提升用戶體驗(yàn)。

負(fù)載均衡服務(wù)器可以避免一臺服務(wù)器過載而其他服務(wù)器過閑，從而極大提升性能。同時，有了它還可以讓W(xué)eb服務(wù)器擴(kuò)容更簡單，因?yàn)榭梢赃x用比較便宜的服務(wù)器，同時保證物盡其用。

可以通過負(fù)載均衡調(diào)度的協(xié)議包括HTTP、HTTPS、SPDY、HTTP/2、WebSocket、FastCGI、SCGI、uwsgi、memcached，以及其他一些應(yīng)用形式，包括基于TCP的應(yīng)用和其他第四層的協(xié)議。為此，首先要分析Web應(yīng)用，看性能短板在哪里，然后再確定使用哪一個。

同一臺服務(wù)器或用于負(fù)載均衡的服務(wù)器也可以承擔(dān)其他任務(wù)，比如SSL終止、視客戶端不同支持HTTP/1/x或HTTP/2、緩存靜態(tài)文件。

建議三：緩存靜態(tài)及動態(tài)內(nèi)容

緩存能提升Web應(yīng)用性能，因?yàn)榭梢愿斓匕褍?nèi)容交付給客戶端。緩存的策略包括預(yù)處理內(nèi)容、在較快的設(shè)備上存儲內(nèi)容、把內(nèi)容保存在靠近客戶端的地方，以及同時運(yùn)用這些策略。

• 靜態(tài)內(nèi)容緩存，不常變化的文件，如圖片（JPEG、PNG）和代碼（CSS、JavaScript），可以保存在邊緣服務(wù)器中，以便快速從內(nèi)容或磁盤中獲取。
• 動態(tài)內(nèi)容緩存，很多Web應(yīng)用會為每個頁面請求生成全新的HTML，把生成的每個HTML都緩存一小段時間，可能顯著減少需要生成的頁面總數(shù)，同時又可以保證交付的內(nèi)容足夠新鮮。

• 把內(nèi)容放到離用戶近的地方。離用戶近，傳輸時間少。
• 把內(nèi)容放到較快的機(jī)器上。機(jī)器快，檢索速度快。
• 把內(nèi)容從過度使用的機(jī)器中拿走。有時候機(jī)器會比在專注執(zhí)行特定任務(wù)時慢很多，那是因?yàn)樘嗳蝿?wù)讓它們分心。這時候把內(nèi)容拿到其他機(jī)器上，不僅對緩存的內(nèi)容有好處，對非緩存的內(nèi)容同樣有利，因?yàn)橥泄芩鼈兊闹鳈C(jī)的負(fù)擔(dān)減輕了。

Web應(yīng)用的緩存可以在Web應(yīng)用服務(wù)器內(nèi)部或外部實(shí)現(xiàn)。首先，考慮緩存動態(tài)內(nèi)容，以減輕應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載。其次，緩存用于靜態(tài)內(nèi)容（包括那些動態(tài)生成內(nèi)容的臨時副本），進(jìn)一步減輕應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。然后，考慮把緩存轉(zhuǎn)移到其他更快或更靠近用戶的機(jī)器，給應(yīng)用服務(wù)器減負(fù)，縮短傳輸時間。

用好緩存能顯著加快應(yīng)用的響應(yīng)速度。對很多網(wǎng)頁來說，大圖片之類的靜態(tài)數(shù)據(jù)，往往占據(jù)一半以上的內(nèi)容。不用緩存，查詢和傳輸這類數(shù)據(jù)可能會花好幾秒鐘，而用緩存，則可能只要花幾分之一秒。

可以舉一個例子來說明怎么使用緩存，NGINX和NGINX Plus通過兩個指令來設(shè)置緩存：proxy_cache_path和proxy_cache指定緩存的位置和大小、最長緩存時間以及其他參數(shù)。使用第三個（也是很受歡迎的)指令proxy_cache_use_stale，甚至可以告訴緩存在本來應(yīng)該提供新鮮內(nèi)容的服務(wù)器太忙或宕機(jī)時，提供原來的舊文件，對客戶端來說，拿到內(nèi)容總比拿不到強(qiáng)。從用戶角度看，這樣也可以樹立你的站點(diǎn)或應(yīng)用非常穩(wěn)定的形象。

NGINX Plus支持高級緩存功能，包括緩存凈化（caching purging）和通過控制板以可視化的形式展示緩存狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控。

注意: 緩存涉及開發(fā)、決策和運(yùn)維，完善的緩存策略，比如本文提到的這些，能夠體現(xiàn)從DevOps角度考慮的價(jià)值。也說是說，開發(fā)人員、架構(gòu)師、運(yùn)維人員此時攜手，共同保障一個網(wǎng)站的功能、響應(yīng)時間、安全和業(yè)務(wù)目標(biāo)。

建議四：壓縮數(shù)據(jù)

壓縮同樣能極大提升性能。圖片、視頻、音樂等文件都有非常成熟和高效的壓縮標(biāo)準(zhǔn)（JPEG和PNG、MPEG-4、MP3），任何一個標(biāo)準(zhǔn)都可以把文件大小縮小一個數(shù)量級甚至更多。

文本文件，包括HTML（純文本和HTML標(biāo)簽）、CSS和JavaScript代碼，經(jīng)常在不壓縮的情況下傳輸。壓縮這些數(shù)據(jù)對提升Web應(yīng)用的感知性能有時候特別明顯，尤其是移動用戶的網(wǎng)絡(luò)很慢又不穩(wěn)定的情況下。

越來越多的網(wǎng)站在使用Secure Sockets Layer（SSL）及后來的Transport Layer Security（TLS）協(xié)議。SSL/TLS通過加密從源服務(wù)器發(fā)送給用戶的數(shù)據(jù)來提升網(wǎng)站安全性。Google會提升使用SSL/TLS的網(wǎng)站的搜索引擎排名，將有力地推動這一進(jìn)程。

1、每次打開新連接的初次握手都必須創(chuàng)建加密密鑰，而瀏覽器使用HTTP/1.x對每個2、服務(wù)器建立多個連接的方式進(jìn)一步加劇了這個問題。

為了鼓勵人們使用SSL/TLS，HTTP/2和SPDY（參見建議六）的作者將這兩個協(xié)議設(shè)計(jì)為只讓瀏覽器針對一次會話建立一個連接。這樣就把SSL導(dǎo)致性能降低的兩個主要原因之一消滅掉了。然而，說到優(yōu)化SSL/TLS性能，還是有很多事情可做。

優(yōu)化SSL/TLS的方法因Web服務(wù)器而異。以NGINX為例，NGINX使用OpenSSL，運(yùn)行于普通機(jī)器上，能夠提供接近定制機(jī)器的性能。NGINX SSL performance詳細(xì)介紹了如何將SSL/TLS加密和解密的開銷降至最低。

• 會話緩存。使用ssl_session_cache指令開啟緩存，緩存每次SSL/STL連接時用到的參數(shù)。
• 會話票或ID。把特定SSL/TLS會話的信息保存為一個會話票或ID，以便連接重用，而不必重新握手。

• OCSP封套。通過緩存SSL/TLS證書信息減少握手時間。

提升應(yīng)用性能的一個簡單的方法，就是根據(jù)可靠性及性能選擇軟件。此外，高質(zhì)量組件的開發(fā)者更可能不斷提升性能和修復(fù)問題，因此使用最新的穩(wěn)定版本是劃算。新發(fā)布的版本會得到開發(fā)者和用戶更多的關(guān)注，同時也會利用新的編譯器優(yōu)化技術(shù)，包括針對新硬件的調(diào)優(yōu)。

相對舊版本，新發(fā)布的穩(wěn)定版本明顯性能更高。堅(jiān)持升級，也可以保證在調(diào)優(yōu)、問題修復(fù)和安全警報(bào)方面與時俱進(jìn)。

Linux是今天大多數(shù)Web服務(wù)器的底層操作系統(tǒng)，作為一切基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)，Linux對提升性能至關(guān)重要。默認(rèn)情況下，很多Linux系統(tǒng)都比較保守，僅以桌面辦公為需求，以占用少量資源為調(diào)優(yōu)目標(biāo)。對于Web應(yīng)用而言，為達(dá)到性能最佳，肯定需要重新調(diào)優(yōu)。

• 文件描述符。NGINX對每個連接最多使用兩個文件描述符。如果系統(tǒng)服務(wù)于很多連接，可能需要增大sys.fs.file_max這個對描述符的系統(tǒng)級限制，以及nofile這個用戶文件描述符限制，以支持增大后的負(fù)載。
• 臨時端口。在作為代理使用時，NGINX會為每個上游服務(wù)器創(chuàng)建臨時端口?？梢栽O(shè)置net.ipv4.ip_local_port_range，增大端口值的范圍，以增加可用的端口量。此外，還可以減小net.ipv4.tcp_fin_timeout的值，它控制非活動端口釋放重用的等待時間，加快周轉(zhuǎn)。
• 對NGINX而言，請參考NGINX性能調(diào)優(yōu)指南，了解如何不費(fèi)吹灰之力將你的Linux系統(tǒng)優(yōu)化為能夠支持更大的吞吐量。

無論使用什么Web服務(wù)器，都需要針對應(yīng)用對其調(diào)優(yōu)。以下建議適用于任何Web服務(wù)器，但會給出只有NGINX的設(shè)置說明。

• 訪問日志。不要每個請求的日志都馬上寫到磁盤，可以在內(nèi)存里做個緩存，然后批量定入。對NGINX而言，將buffer=_size_參數(shù)添加到access_log指令，等內(nèi)存緩沖區(qū)寫滿后再把日志寫到磁盤。如果你添加了**flush=_time_**參數(shù)，那么緩沖區(qū)的內(nèi)容也會按照指定時間寫入磁盤。
• 緩沖。緩沖用于在內(nèi)存里保存部分響應(yīng)，直到緩沖區(qū)被填滿，可以實(shí)現(xiàn)對客戶端更有效的響應(yīng)。無法寫入內(nèi)存的響應(yīng)會被寫到磁盤，從而降低性能。在NGINX的緩沖啟用時，可以使用proxy_buffer_size和proxy_buffers指令來管理它。
• 客戶端活動連接?；顒舆B接可以減少時間消耗，特別是在使用SSL/TLS的情下。對NGINX而言，可以針對客戶端提高keepalive_requests的數(shù)值，默認(rèn)值為100；也可以增大keepalive_timeout的值，讓活動連接持續(xù)時間更長，從而讓后續(xù)請求得到更快響應(yīng)。
• 上游活動連接。上游連接，即連接到應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的連接，同樣可以從活動連接的設(shè)置中獲得好處。對上游連接來說，可以增加活動連接，也就是每個工作進(jìn)程可用的空閑活動連接的數(shù)量。這樣可以增進(jìn)連接重用，減少重開連接。關(guān)于活動連接的更多信息，請參考這篇博客。
• 限制。限制客戶端使用的資源可以提升性能和安全性。對NGINX而言，limit_conn和limit_conn_zone指令限制指定源的連接數(shù)，而limit_rate限制帶寬。這些設(shè)置可以防止合法用戶“侵吞”資源，同時也有助于防止攻擊。limit_req和limit_req_zone指令限制客戶端請求。對于到上游服務(wù)器的連接，可以在上游配置區(qū)的服務(wù)器指令中使用max_conns參數(shù)，它限制對上游服務(wù)器的連接，防止過載。相關(guān)的隊(duì)列指令會創(chuàng)建一個隊(duì)列，在max_conns限制到達(dá)后將指定的請求數(shù)保存指定的時間。
• 工作進(jìn)程。工作進(jìn)程負(fù)責(zé)處理請求。NGINX采用基于事件的模型和OS相關(guān)的機(jī)制有效地在工作進(jìn)程間分配請求。建議將worker_processes的值設(shè)置為每個CPU一個工作進(jìn)程。如果需要，大多數(shù)系統(tǒng)都支持提高worker_connections的值（默認(rèn)為512）。可以通過試驗(yàn)找到最適合你系統(tǒng)的這個值。
• 套接字分片。通常，一個套接字監(jiān)聽器向所有工作進(jìn)程分發(fā)新連接。套按字分片則為每個工作進(jìn)程都創(chuàng)建一個套接字監(jiān)聽器，由內(nèi)核在套接字監(jiān)聽器可用時為其指定連接。這樣可以減少鎖爭用，提升多核系統(tǒng)上的性能。要啟用套接字分片，在listen指令中包含reuseport參數(shù)。
• 線程池。一個費(fèi)時的操作會阻塞任何計(jì)算機(jī)進(jìn)程。對Web服務(wù)器軟件來說，磁盤訪問可能阻礙很多較快的操作，比如內(nèi)存中的計(jì)算和復(fù)制。在使用線程池的情況下，慢操作會被指定給一組獨(dú)立的任務(wù)，而主處理循環(huán)會繼續(xù)運(yùn)行較快的操作。磁盤操作完成后，結(jié)果會返回到主處理循環(huán)。在NGINX中，read()系統(tǒng)調(diào)用和sendfile()被轉(zhuǎn)載到了線程池。

  
  

性能提升因Web應(yīng)用不同會有巨大差異。實(shí)際的提升取決于預(yù)算、時間，以及現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)的與理想性能的差距。那么怎么讓你的應(yīng)用獲得10倍的性能提升呢？

為了幫大家理解每項(xiàng)優(yōu)化建議的潛能，下面再針對之前的建議給出一些實(shí)施方針，希望大家各取所需。

• 反向代理服務(wù)器及負(fù)載均衡。沒有負(fù)載均衡或池負(fù)載均衡，可能導(dǎo)致極低的性能。添加一個反向代理服務(wù)器，比如NGINX，可以減少Web應(yīng)用在內(nèi)存和磁盤之間的往返。負(fù)載均衡可以把任務(wù)從過載的服務(wù)器轉(zhuǎn)移到空閑的服務(wù)器，也便于擴(kuò)展。這些改變能極大地提升性能，與原有的部署方式最差的時候相比，10倍性能提升是很輕松的事，即使不到10倍那也在總體上有了質(zhì)的飛躍。
• 緩存動態(tài)和靜態(tài)內(nèi)容。如果你的Web服務(wù)器同時又充當(dāng)了應(yīng)用服務(wù)器，那么通過緩存動態(tài)內(nèi)容就可以達(dá)到高峰期10倍的性能提升。緩存靜態(tài)內(nèi)容也可以有幾倍的性能提升。
• 壓縮數(shù)據(jù)。使用JPEG、PNG、MPEG-4以及MP3等壓縮格式能顯著提升性能。如果這些手段都用上了，那么壓縮的文本數(shù)據(jù)（代碼及HTML）可以將初始頁面加載時間提升兩倍。
• 優(yōu)化SSL/TLS。安全握手對性能有很大影響，因此對其進(jìn)行優(yōu)化可以讓初次響應(yīng)加快兩倍，對于文本內(nèi)容較多的網(wǎng)站尤其如此。優(yōu)化SSL/TLS下的媒體文件帶來的性能提升很小。
• 實(shí)施HTTP/2和SPDY。在使用SSL/TLS的情況下，這兩個協(xié)議有可能提升網(wǎng)站的整體性能。

• 調(diào)優(yōu)Linux和Web服務(wù)器。使用優(yōu)化的緩沖策略、使用活動連接，將耗時的任務(wù)轉(zhuǎn)載至獨(dú)立的線程池，可以顯著提升性能。比如線程池可以將磁盤操作密集性任務(wù)的性能提升至少一個數(shù)量級。