(十七) Nginx解析：架构设计、负载均衡实战与常见面试问题

什么是Nginx?

Nginx 是一款高性能的 HTTP 服务器和反向代理服务器，同时支持 IMAP/POP3/SMTP 协议。其设计以高并发、低资源消耗为核心优势，广泛应用于负载均衡、静态资源服务和反向代理等场景。

一、Nginx 的核心优势

1. 高并发处理能力采用异步非阻塞的 I/O 多路复用模型（如 epoll/kqueue），单机可支持 5 万+ 并发连接。相比传统多线程模型（如 Apache），资源消耗更低，内存占用仅为 Apache 的 1/5-1/10。
2. 反向代理与负载均衡支持轮询、权重分配、IP哈希等策略，实现流量分发到多台后端服务器，提升系统容错性和处理效率。内置健康检查功能，自动剔除故障节点，保障服务可用性。
3. 低资源消耗与高稳定性基于事件驱动模型，CPU 亲和性设计减少上下文切换开销。支持热部署，可在不中断服务的情况下更新配置或版本。
4. 灵活的扩展性模块化架构支持第三方插件扩展（如缓存、安全防护等）。配置文件简洁，支持 Rewrite 规则和正则表达式匹配。

二、主要功能与应用场景

1. Web 服务器静态资源高效处理 ：直接托管 HTML、图片等文件，响应速度远超传统服务器。动静分离：将动态请求（如 PHP、Node.js ）与静态资源（如 CSS、JS）分开处理，降低后端压力。
2. 反向代理与安全防护隐藏真实服务器 IP，抵御 DDoS 攻击，支持 SSL/TLS 加密。通过访问控制（IP 白名单、HTTP 认证）提升安全性。
3. 缓存与性能优化支持 GZIP 压缩和浏览器缓存，减少带宽消耗。反向代理缓存动态内容，降低后端服务器负载。
4. 邮件代理与多协议支持可作为 IMAP/POP3/SMTP 代理服务器，处理邮件收发请求。

三、典型应用场景

• 大型网站架构：如新浪、腾讯等，用于负载均衡和静态资源加速。
• 微服务网关：作为 API 网关统一管理请求路由和限流。
• 内容分发网络（CDN）：结合缓存机制加速静态资源访问。

四、与其他服务器的对比

|--------|----------------|--------------|
| 特性 | Nginx | Apache |
| 并发模型 | 异步非阻塞（epoll） | 多线程/多进程 |
| 内存消耗 | 低（约 2.5MB/万连接） | 高（约 20MB/进程） |
| 热部署 | 支持 | 不支持 |

五、核心架构与事件驱动模型

1. 多进程架构设计

• Master - Worker机制

主进程（Master）承担管理配置、信号分发以及监控工作进程（Worker）的职责，支持热部署（借助nginx -s reload可在无需停机的情况下进行更新）。工作进程（Worker）基于异步非阻塞模型构建，单线程能够处理数以万计的并发连接，通过共享内存达成高效通信。

2. 事件驱动模型

• Epoll/Kqueue高效处理

采用Reactor模式，仅聚焦于活跃连接（相较于select/poll，减少了O(n)的遍历开销），可实现单个Worker处理超过10万的并发连接。每个Worker独立运行事件循环，避免了线程切换的开销。

3. 内存管理优化

• 静态资源处理的内存消耗低至2.5MB/万连接，借助内存池机制减少内存碎片。

六、负载均衡深度配置

1. 基础配置模板

http {
    upstream backend {
        # 加权轮询（默认策略）
        server 192.168.1.101:8080 weight=5; 
        server 192.168.1.102:8080 weight=3; 
        server 192.168.1.103:8080 backup;  # 备用节点 
        
        # 策略选择 
        ip_hash;       # 会话保持（解决Session问题）
        # least_conn;  # 最小连接数策略 
    }
 
    server {
        location / {
            proxy_pass http://backend; 
            proxy_set_header Host $host; 
        }
    }
}

2. 高级策略解析

|------------|----------------|---------------------------------------------|
| 策略类型 | 适用场景 | 特点 |
| IP哈希 | 需会话保持的业务（如购物车） | 相同IP始终路由到固定节点，可能引发负载不均 |
| 加权最少连接 | 服务器性能差异大的集群 | 动态选择当前连接数最少的节点，需配合健康检查使用 |
| 响应时间优先 | 对延迟敏感的应用 | 需安装第三方模块（如nginx-upstream-fair），根据响应时间动态分配请求 |

七、常见面试题

Nginx 是一款轻量级的高性能 Web 服务器、反向代理服务器以及电子邮件（IMAP/POP3）代理服务器，由俄罗斯的软件工程师 Igor Sysoev 开发。以下是关于 Nginx 的详细介绍及其常见应用场景：

Nginx 的特点

• 高性能和稳定性：Nginx 采用了事件驱动的异步非阻塞模型，能够在高并发情况下保持低资源消耗和高响应速度，稳定性强，可长时间稳定运行。
• 低内存占用：在处理大量并发连接时，Nginx 对内存的占用相对较少，能够高效利用系统资源。
• 丰富的模块功能：支持众多的模块，如 HTTP 模块、SSL 模块、反向代理模块等，通过这些模块可以方便地实现各种功能扩展。
• 热部署：可以在不停止服务的情况下进行配置文件的更新和模块的升级，保证服务的连续性。

应用场景

Nginx 是什么？

Nginx 是一款轻量级的高性能 Web 服务器、反向代理服务器以及电子邮件（IMAP/POP3）代理服务器，由俄罗斯的软件工程师 Igor Sysoev 开发.

它有哪些应用场景？

• Web 服务器：可作为独立的 Web 服务器，直接处理静态资源请求，如 HTML、CSS、JavaScript、图片等文件。它能够高效地将这些静态文件发送给客户端，减轻后端应用服务器的压力。
• 反向代理服务器：Nginx 常被用于反向代理场景，接收互联网用户的请求，并将请求转发到后端的真实服务器上。同时，它还可以对后端服务器的响应进行缓存、过滤等处理，提高系统的性能和安全性。例如，当有大量用户访问一个网站时，Nginx 可以根据预设的规则，将请求分发到不同的后端服务器上，实现负载均衡，提升整体系统的处理能力。
• 负载均衡器：Nginx 可以实现对多个后端服务器的负载均衡，通过轮询、IP 哈希、加权轮询等多种算法，将客户端请求均匀地分配到不同的服务器上，使各服务器的负载相对均衡，避免单点故障，提高系统的可靠性和可用性。
• SSL/TLS 终端代理：Nginx 可以对 SSL/TLS 加密的流量进行处理，实现 SSL/TLS 的卸载。即 Nginx 在前端接收加密的 HTTPS 请求，进行解密后再将明文请求转发给后端服务器，这样可以减轻后端服务器的加密计算压力，提高整体系统的性能。
• HTTP 缓存服务器：Nginx 可以对经常访问的静态资源和部分动态资源进行缓存，当客户端再次请求相同资源时，Nginx 可以直接从缓存中返回数据，而无需向后端服务器发送请求，大大提高了响应速度，降低了后端服务器的负载，节省了带宽资源。
• 邮件代理服务器：Nginx 还可以作为电子邮件（IMAP/POP3）代理服务器，为邮件系统提供代理和缓存功能，提高邮件系统的性能和可靠性。

如何配置 Nginx 实现静态资源访问？

设置nginx.config 文件, 配置具体的访问路径

Nginx 的常用命令有哪些？

• 启动 : nginx
• 停止 : nginx -s stop
• 重启: nginx -s restart
• 先停止再启动 : nginx -s stop && sudo nginx
• 重载配置文件: sudo nginx -s reload
• 检查配置文件语法: nginx -t
• 查看 Nginx 版本信息: nginx -v

如何在 Nginx 中获取当前时间？

time_local或time_iso8601来获取当前时间

Nginx 命令中 -s 参数的作用是什么？具体有哪些用法？

向主进程Matser发送信号来控制Worker进程, 如 nginx -s stop 等

如何禁止某个 IP 的访问？

在设置nginx.config 文件 中加入 如 ''deny 127.0.0.2"等,配置完后重新加载nginx

如何实现请求的重定向？

在设置nginx.config 文件 中加入 "如old-path-->new-path"

location /old-path {
     rewrite ^/old-path$ /new-path permanent;
}

什么是正向代理和反向代理?

• 正向代理：为客户端服务，客户端主动使用，向代理服务器发送请求，代理再转发到目标服务器，可突破访问限制等，隐藏真实客户端。
• 反向代理：为服务器服务，客户端无感知，请求直接到反向代理服务器，由其转发到内部真实服务器，常用于负载均衡等，隐藏真实服务器。

如何使用 Nginx 做反向代理？

1. 安装 Nginx：以 Ubuntu 系统为例，通过 sudo apt update 和 sudo apt install nginx 命令完成安装。
2. 配置反向代理编辑配置文件，常见路径为 /etc/nginx/sites - available/default 或 /etc/nginx/conf.d/default.conf。
3. 检查配置语法：使用 sudo nginx -t 命令检查配置文件语法是否正确。
4. 重新加载配置：执行 sudo systemctl reload nginx 使新配置生效。
5. 验证反向代理：通过浏览器或其他工具访问配置的域名，验证请求是否被正确转发到后端服务器。

如何用 Nginx 做限流，有几种限流算法，分别如何实现？

限流算法介绍

• 漏桶算法：将请求视为水，以固定速率处理，超量请求在桶中等待，桶满则丢弃新请求，用于严格控制请求速率的场景。
• 令牌桶算法：系统按固定速率向桶中放令牌，请求需获取令牌才能处理，允许一定突发请求，适用于对突发流量有容忍度的场景。

实现方式

基于漏桶算法（limit_req模块）

1. 配置限流区域：在 http 块定义，如 limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=10r/s，依据客户端 IP 限流，每秒允许 10 个请求。
2. 应用限流规则：在 server 或 location 块使用，如 limit_req zone=mylimit burst=20 nodelay，指定限流区域、突发请求数及不排队处理。

模拟令牌桶算法（limit_req模块结合burst参数）

通过设置 burst 参数，允许短时间内有额外 "令牌" 处理突发请求，突破 rate 限制但在 burst 范围内的请求可立即处理。

基于连接数限流（limit_conn模块）

1. 配置连接限制区域：在 http 块定义，如 limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=perip:10m，按客户端 IP 限制连接数。
2. 应用连接限制规则：在 server 或 location 块使用，如 limit_conn perip 10 限制每个客户端 IP 并发连接数为 10 个。

为什么 Nginx 的性能那么高？

源于其多进程单线程与模块化的架构设计、异步非阻塞I/O的事件处理机制、高效的内存池与低内存占用管理、HTTP 及反向代理缓存机制以及对 HTTP 和 SSL/TLS 协议的优化处理。