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06 OpenResty 中用到的 NGINX 知识
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你好，我是温铭。
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通过前面几篇文章的介绍，相信你对 OpenResty 的轮廓已经有了一个大概的认知。下面几节课里，我会带你熟悉下 OpenResty 的两个基石：NGINX 和 LuaJIT。万丈高楼平地起，掌握些这些基础的知识，才能更好地去学习 OpenResty。
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今天我先来讲 NGINX。这里我只会介绍下，OpenResty 中可能会用到的一些 NGINX 基础知识，这些仅仅是 NGINX 很小的一个子集。如果你需要系统和深入学习 NGINX，可以参考陶辉老师的《NGINX 核心知识 100 讲》，这也是极客时间上评价非常高的一门课程。
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说到配置，其实，在 OpenResty 的开发中，我们需要注意下面几点：
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要尽可能少地配置 nginx.conf；
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避免使用if、set 、rewrite 等多个指令的配合；
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能通过 Lua 代码解决的，就别用 NGINX 的配置、变量和模块来解决。
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这样可以最大限度地提高可读性、可维护性和可扩展性。
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下面这段 NGINX 配置，就是一个典型的反例，可以说是把配置项当成了代码来使用：
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location ~ ^/mobile/(web/app.htm) {
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set $type $1;
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set $orig_args $args;
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if ( $http_user_Agent ~ "(iPhone|iPad|Android)" ) {
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rewrite ^/mobile/(.*) http://touch.foo.com/mobile/$1 last;
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}
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proxy_pass http://foo.com/$type?$orig_args;
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}
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这是我们在使用 OpenResty 进行开发时需要避免的。
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NGINX 配置
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我们首先来看下 NGINX 的配置文件。NGINX 通过配置文件来控制自身行为，它的配置可以看作是一个简单的 DSL。NGINX 在进程启动的时候读取配置，并加载到内存中。如果修改了配置文件，需要你重启或者重载 NGINX，再次读取后才能生效。只有 NGINX 的商业版本，才会在运行时, 以 API 的形式提供部分动态的能力。
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我们先来看下面这段配置，里面的内容非常简单，我相信大部分工程师都能看懂：
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worker_processes auto;
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pid logs/nginx.pid;
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error_log logs/error.log notice;
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worker_rlimit_nofile 65535;
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events {
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worker_connections 16384;
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}
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http {
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server {
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listen 80;
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listen 443 ssl;
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location / {
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proxy_pass https://foo.com;
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}
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}
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}
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stream {
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server {
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listen 53 udp;
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}
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}
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不过，即使是简单的配置，背后也涉及到了一些很重要的基础概念。
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第一，每个指令都有自己适用的上下文（Context），也就是NGINX 配置文件中指令的作用域。
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最上层的是 main，里面是和具体业务无关的一些指令，比如上面出现的 worker_processes、pid 和 error_log，都属于 main 这个上下文。另外，上下文是有层级关系的，比如 location 的上下文是 server，server 的上下文是 http，http 的上下文是 main。
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指令不能运行在错误的上下文中，NGINX 在启动时会检测 nginx.conf 是否合法。比如我们把
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listen 80; 从 server 上下文换到 main 上下文，然后启动 NGINX 服务，会看到类似这样的报错：
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"listen" directive is not allowed here ......
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第二，NGINX 不仅可以处理 HTTP 请求 和 HTTPS 流量，还可以处理 UDP 和 TCP 流量。
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其中，七层的放在 HTTP 中，四层的放在 stream中。在 OpenResty 里面， lua-nginx-module 和 stream-lua-nginx-module 分别和这俩对应。
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这里有一点需要注意，NGINX 支持的功能，OpenResty 并不一定支持，需要看 OpenResty 的版本号。OpenResty 的版本号是和 NGINX 保持一致的，所以很容易识别。比如 NGINX 在 2018 年 3 月份发布的 1.13.10 版本中，增加了对 gRPC 的支持，但 OpenResty 在 2019 年 4 月份时的最新版本是 1.13.6.2，由此可以推断 OpenResty 还不支持 gRPC。
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上面 nginx.conf 涉及到的配置指令，都在 NGINX 的核心模块 ngx_core_module、ngx_http_coremodule 和 ngx_stream_coremodule 中，你可以点击这几个链接去查看具体的文档说明。
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MASTER-WORKER 模式
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了解完配置文件，我们再来看下 NGINX 的多进程模式。这里我放了一张图来表示，你可以看到，NGINX 启动后，会有一个 Master 进程和多个 Worker 进程（也可以只有一个 Worker 进程，看你如何配置）。
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先来说 Master 进程，一如其名，扮演“管理者”的角色，并不负责处理终端的请求。它是用来管理 Worker 进程的，包括接受管理员发送的信号量、监控 Worker 的运行状态。当 Worker 进程异常退出时，Master 进程会重新启动一个新的 Worker 进程。
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Worker 进程则是“一线员工”，用来处理终端用户的请求。它是从 Master 进程 fork 出来的，彼此之间相互独立，互不影响。多进程的模式比 Apache 多线程的模式要先进很多，没有线程间加锁，也方便调试。即使某个进程崩溃退出了，也不会影响其他 Worker 进程正常工作。
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而 OpenResty 在 NGINX Master-Worker 模式的前提下，又增加了独有的特权进程（privileged agent）。这个进程并不监听任何端口，和 NGINX 的 Master 进程拥有同样的权限，所以可以做一些需要高权限才能完成的任务，比如对本地磁盘文件的一些写操作等。
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如果特权进程与 NGINX 二进制热升级的机制互相配合，OpenResty 就可以实现自我二进制热升级的整个流程，而不依赖任何外部的程序。
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减少对外部程序的依赖，尽量在 OpenResty 进程内解决问题，不仅方便部署、降低运维成本，也可以降低程序出错的概率。可以说，OpenResty 中的特权进程、ngx.pipe 等功能，都是出于这个目的。
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执行阶段
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执行阶段也是 NGINX 重要的特性，与 OpenResty 的具体实现密切相关。NGINX 有 11 个执行阶段，我们可以从 ngx_http_core_module.h 的源码中看到：
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typedef enum {
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NGX_HTTP_POST_READ_PHASE = 0,
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NGX_HTTP_SERVER_REWRITE_PHASE,
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NGX_HTTP_FIND_CONFIG_PHASE,
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NGX_HTTP_REWRITE_PHASE,
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NGX_HTTP_POST_REWRITE_PHASE,
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NGX_HTTP_PREACCESS_PHASE,
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NGX_HTTP_ACCESS_PHASE,
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NGX_HTTP_POST_ACCESS_PHASE,
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NGX_HTTP_PRECONTENT_PHASE,
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NGX_HTTP_CONTENT_PHASE,
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NGX_HTTP_LOG_PHASE
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} ngx_http_phases;
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如果你想详细了解这 11 个阶段的作用，可以学习陶辉老师的视频课程，或者 NGINX 文档，这里我就不再赘述。
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不过，巧合的是，OpenResty 也有 11 个 *_by_lua指令，它们和 NGINX 阶段的关系如下图所示（图片来自 lua-nginx-module 文档）：
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其中， init_by_lua 只会在 Master 进程被创建时执行，init_worker_by_lua 只会在每个 Worker 进程被创建时执行。其他的 *_by_lua 指令则是由终端请求触发，会被反复执行。
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所以在 init_by_lua 阶段，我们可以预先加载 Lua 模块和公共的只读数据，这样可以利用操作系统的 COW（copy on write）特性，来节省一些内存。
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对于业务代码来说，其实大部分的操作都可以在 content_by_lua 里面完成，但我更推荐的做法，是根据不同的功能来进行拆分，比如下面这样：
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set_by_lua：设置变量；
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rewrite_by_lua：转发、重定向等；
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access_by_lua：准入、权限等；
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content_by_lua：生成返回内容；
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header_filter_by_lua：应答头过滤处理；
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body_filter_by_lua：应答体过滤处理；
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log_by_lua：日志记录。
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我举一个例子来说明这样拆分的好处。我们假设，你对外提供了很多明文 API，现在需要增加自定义的加密和解密逻辑。那么请问，你需要修改所有 API 的代码吗？
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# 明文协议版本
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location /mixed {
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content_by_lua '...'; # 处理请求
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}
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当然不用。事实上，利用阶段的特性，我们只需要简单地在 access 阶段解密，在 body filter 阶段加密就可以了，原来 content 阶段的代码是不用做任何修改的：
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# 加密协议版本
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location /mixed {
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access_by_lua '...'; # 请求体解密
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content_by_lua '...'; # 处理请求，不需要关心通信协议
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body_filter_by_lua '...'; # 应答体加密
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}
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二进制热升级
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最后，我来简单说一下 NGINX 的二进制热升级。我们知道，在你修改完 NGINX 的配置文件后，还需要重启才能生效。但在 NGINX 升级自身版本的时候，却可以做到热升级。这看上去有点儿本末倒置，不过，考虑到 NGINX 是从传统静态的负载均衡、反向代理、文件缓存起家的，这倒也可以理解。
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热升级通过向旧的 Master 进程发送 USR2 和 WINCH 信号量来完成。对于这两步，前者的作用，是启动新的 Master 进程；后者的作用，是逐步关闭 Worker 进程。
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执行完这两步后，新的 Master 和新的 Worker 就已经启动了。不过此时，旧的 Master 并没有退出。不退出的原因也很简单，如果你需要回退，依旧可以给旧的 Master 发送 HUP 信号量。当然，如果你已经确定不需要回退，就可以给旧 Master 发送 KILL 信号量来退出。
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至此，大功告成，二进制的热升级就完成了。
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关于二进制升级，我主要就讲这些。如果你想了解这方面更详细的资料，可以查阅官方文档继续学习。
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课外延伸
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OpenResty 的作者多年前写过一个 NGINX 教程，如果你对此感兴趣，可以自己学习下。这里面的内容比较多，即使看不懂也没有关系，并不会影响你学习 OpenResty。
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写在最后
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总的来说，在 OpenResty 中用到的都是 Nginx 的基础知识，主要涉及到配置、主从进程、执行阶段等。而其他能用 Lua 代码解决的，尽量用代码来解决，而非使用Nginx 的模块和配置，这是在学习 OpenResty 中的一个思路转变。
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最后，我给你留了一道开放的思考题。Nginx 官方支持 NJS，也就是可以用 JS 写控制部分 Nginx 的逻辑，和 OpenResty 的思路很类似。对此，你是怎么看待的呢？
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欢迎留言和我分享，也欢迎你把这篇文章转发给你的同事、朋友。
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