Nginx的基础架构解析(下)

1. Nginx模块

1.1 Nginx中的模块化设计

Nginx 的内部结构是由核心部分和一系列的功能模块所组成。这样划分是为了使得每个模块的功能相对简单，便于开发，同时也便于对系统进行功能扩展。Nginx 将各功能模块组织成一条链，当有请求到达的时候，请求依次经过这条链上的部分或者全部模块，进行处理。例如前面讲到的 http 请求，会有11个处理阶段，而每个阶段有对应着许多在此阶段生效的模块对该 http 请求进行处理。同时，Nginx 开放了第三方模块编写功能，用户可以自定义模块，控制 http 请求的处理与响应，这种高度可定制化催生了 Nginx 的大量第三方模块，也使得 Nginx 定制化开发在各大互联网公司十分流行。

1.2 Nginx中的模块分类

关于 Nginx 模块的分类有很多种方式，目前网上博客中写的较多的是按照功能进行分类，有如下几大类:

event 模块: 搭建独立于操作系统的事件处理机制的框架，以及提供各种具体事件的处理。代表性的模块有:ngx_events_module, ngx_event_core_module, ngx_epoll_module;
handler 模块: 主要负责处理客户端请求并产生待响应的内容，比如 ngx_http_static_module 模块，负责客户端的静态页面请求处理并将对应的磁盘文件准备为响应内容输出；
filter 模块: 主要负责处理输出的内容，包括修改输出内容。代表性的模块有: ngx_http_sub_module；
upstream 模块: 该类模块都是用于实现反向代理功能，将真正的请求转发到后端服务器上，并从后端服务器上读取响应，发回给客户端。比如前面介绍到转发 http、websocket、grpc、rtmp等协议的模块都可以划分为这一类;
负载均衡模块: 负载均衡的模块，实现相应算法。这类模块都是用于实现 Nginx 的负载均衡功能。
extend 模块: 又称第三方模块，非 Nginx 官方提供，由各大企业的开发人员结合自身业务开发而成。Nginx 提供了非常好的模块编写机制，遵循相关的标准可以很快定制出符合我们业务场景的模块，而且内部调用 Nginx 内部提供的方法进行处理，使得第三方模块往往都具备很好的性能

对于官方提供的模块，我们可以直接在官网文档上学习，学习的方式和学习其他互联网组件的方式一致，首先学习如何使用，在用至熟练后可以深入分析其源码了解功能实现背后的原理。

我们以前面介绍到的 Nginx 的限速模块(limit_req模块)进行说明。首先是掌握该模块的用法，在该模块的官方地址中，有关于该模块的详细介绍，包括该模块提供的所有指令以及所有变量说明。此外，还有比较丰富的指令用例。在多次使用该指令并自认为掌握了该模块的用法之后，想了解限速背后的原理以及相关算法时，就可以深入到源码学习了。

进入 Nginx 的源码目录，使用ls查看源码文件，限速模块是在 http 目录中的。

[root@server nginx-1.17.6]# cd src/

[root@server src]# ls
core  event  http  mail  misc  os  stream

[root@server src]# ls http/modules/ngx_http_limit_*.c
http/modules/ngx_http_limit_conn_module.c
http/modules/ngx_http_limit_req_module.c

找到 Nginx 模块对应的代码文件后，我们就可以阅读里面的代码进行学习。往往源码的阅读是枯燥无味的，我们可以借助海量的网络资源辅助我们学习。这里就有一篇文章，作者深入分析了 Nginx 的限流模块的源码以及相应限流算法，最后进行了相关的实验测试。通过这样一个个模块深入学习，最后在使用每一个 Nginx 指令时，也会非常熟练，最后成为 Nginx 高手。

1.3 如何学习和使用第三方模块

这里我们演示在 Nginx 中使用第三方模块。 Openresty 社区提供了一款 Nginx 中的 Echo 模块，即echo-nginx-module。在 Nginx 中添加了该模块后，我们在配置文件中可以使用该模块提供的 echo 指令返回用户响应，简单方便。该模块的源码在 github 上，并且有良好的文档和使用示例，非常方便开发者使用。

图片描述

现在我们在 Nginx 的源码编译阶段加入该第三方模块，具体操作如下：

[root@server shencong]# pwd
/root/shencong
[root@server shencong]# mkdir nginx-echo
# 下载 nginx 源码包和第三方模块的源码包 
[root@server shencong]# wget http://nginx.org/download/nginx-1.17.6.tar.gz
[root@server shencong]# wget https://github.com/openresty/echo-nginx-module/archive/v0.62rc1.tar.gz

# 解压
[root@server shencong]# tar -xzf nginx-1.17.6.tar.gz
[root@server shencong]# tar -xzf v0.62rc1.tar.gz

[root@server shencong]# ls
echo-nginx-module-0.62rc1  nginx-1.17.6  nginx-1.17.6.tar.gz  nginx-echo  v0.62rc1.tar.gz

[root@server shencong]# cd nginx-1.17.6
# 使用--add-module添加第三方模块，参数为第三方模块源码
[root@server shencong]# ./configure --prefix=/root/shencong/nginx-echo  --add-module=/root/shencong/echo-nginx-module-0.62rc1

编译完成后，我们就可以去nginx-echo目录中的 nginx.conf文件中添加echo 指令。准备如下的配置(可以参参考社区提供的示例)：

...
http {
   server {
        listen       80;
        server_name  localhost;

        #charset koi8-r;

        #access_log  logs/host.access.log  main;

        location / {
            root   html;
            index  index.html index.htm;
        }
        
        # 新增测试 echo 指令配置
        location /timed_hello {
            default_type text/plain;
            echo_reset_timer;
            echo hello world;
            echo "'hello world' takes about $echo_timer_elapsed sec.";
            echo hiya igor;
            echo "'hiya igor' takes about $echo_timer_elapsed sec.";
        }

        location /echo_with_sleep {
            default_type text/plain;
            echo hello world;
            echo_flush;  # ensure the client can see previous output immediately
            echo_sleep   2.5;  # in sec
            echo "'hello' takes about $echo_timer_elapsed sec.";
        }

    }
}
...

启动 Nginx 后，我们就可以在浏览器上请求者两个 URI 地址，看到相应 echo 返回的信息了。第二个配置是使用了 echo_sleep 指令，会使得请求在休眠 2.5s 后才返回。
图片描述

图片描述

1.4 如何编写自己的模块

想要编写 Nginx 模块，首先需要对 Nginx 模块中的源码以及相关的数据结构有所了解，还要知晓 Nginx HTTP 模块的调用流程。假设我要实现前面第三方模块Echo的最简单形式，即只输出相应的字符串即可。假定模块支持的指令名称还是 echo，这个 echo 指令需要跟一个参数，即输出的字符串。我们需要做如下几步：

确定模块名称，以及模块中的指令以及参数，还有运行的环境。这里涉及的结构是 ngx_command_t，它定义了模块里的所有指令格式。下面的代码表示该模块中只有一个 echo 指令，它出现的上下文环境为 location，且有一个参数(NGX_CONF_TAKE1)。当某个配置块中出现echo指令时，Nginx 将调用ngx_http_echo方法。然后在该方法中，会设置处理请求的 handler，这个 handler 就是处理请求的方法。

  static ngx_command_t  ngx_http_echo_commands[] = {  
         { ngx_string("echo"),      /* 指令名称，利用ngx_string宏定义 */
          NGX_HTTP_LOC_CONF|NGX_CONF_TAKE1,  /* 用在 location 指令块内，且有1个参数 */
          ngx_http_echo,            /* 处理回调函数 */
          NGX_HTTP_LOC_CONF_OFFSET,    
          offsetof(ngx_http_echo_loc_conf_t, ed), /* 指定参数读取位置 */
          NULL },
          ngx_null_command
  };

完成请求处理的 handler 函数，最重要的部分就在这里；

 static char *
 ngx_http_echo(ngx_conf_t *cf, ngx_command_t *cmd, void *conf)
 {
     ngx_http_core_loc_conf_t  *clcf;
     /* 找到指令所属的配置块，这里我们限定echo指令的上下文环境只有location */
     clcf = ngx_http_conf_get_module_loc_conf(cf, ngx_http_core_module);
     /* 指定处理的handler */
     clcf->handler = ngx_http_echo_handler;
     ...
     return NGX_CONF_OK;
 }
 
 static ngx_int_t
 ngx_http_echo_handler(ngx_http_request_t *r)
 {
     ...
     
     /* 向用户发送相应包 */
     return ngx_http_output_filter(r, &out);
 }

一些收尾工作，比如配置模块介入 http 请求的哪些阶段等。

  /* Http context of the module */
  static ngx_http_module_t  ngx_http_echo_module_ctx = {
      NULL,                                  /* preconfiguration */
      NULL,                                  /* postconfiguration */
      NULL,                                  /* create main configuration */
      NULL,                                  /* init main configuration */
      NULL,                                  /* create server configuration */
      NULL,                                  /* merge server configuration */
      ngx_http_echo_create_loc_conf,         /* create location configration */
      ngx_http_echo_merge_loc_conf           /* merge location configration */
  };
  /* Module */
  ngx_module_t  ngx_http_echo_module = {
      NGX_MODULE_V1,
      &ngx_http_echo_module_ctx,             /* module context */
      ngx_http_echo_commands,                /* module directives */
      NGX_HTTP_MODULE,                       /* module type */
      NULL,                                  /* init master */
      NULL,                                  /* init module */
      NULL,                                  /* init process */
      NULL,                                  /* init thread */
      NULL,                                  /* exit thread */
      NULL,                                  /* exit process */
      NULL,                                  /* exit master */
      NGX_MODULE_V1_PADDING
  };

完成以上几步，一个简易的自定义模块就算大功告成了。接下来我们动手完成第一个自定义的模块，将其编译进Nginx 二进制文件中并进行测试。

2. 案例

我们来完成一个简单的自定义 http 模块，来实现前面Echo模块的最简单形式，即使用指令输出 “hello, world” 字符串。首先新建一个目录echo-nginx-module，然后在目录下新建两个文件config和ngx_http_echo_module.c

[root@server echo-nginx-module]# pwd
/root/shencong/echo-nginx-module

[root@server echo-nginx-module]# ls
config  ngx_http_echo_module.c

两个文件内容分别如下:

[root@server echo-nginx-module]# cat config 
ngx_addon_name=ngx_http_echo_module
# 指定模块名称
HTTP_MODULES="$HTTP_MODULES ngx_http_echo_module"
# 指定模块源码路径
NGX_ADDON_SRCS="$NGX_ADDON_SRCS $ngx_addon_dir/ngx_http_echo_module.c"

[root@server echo-nginx-module]# cat ngx_http_echo_module.c
#include <ngx_config.h>
#include <ngx_core.h>
#include <ngx_http.h>

/* Module config */
typedef struct {
    ngx_str_t  ed;
} ngx_http_echo_loc_conf_t;

static char *ngx_http_echo(ngx_conf_t *cf, ngx_command_t *cmd, void *conf);
static void *ngx_http_echo_create_loc_conf(ngx_conf_t *cf);
static char *ngx_http_echo_merge_loc_conf(ngx_conf_t *cf, void *parent, void *child);

/* 定义指令 */
static ngx_command_t  ngx_http_echo_commands[] = {
    { ngx_string("echo"),      /* 指令名称，利用ngx_string宏定义 */
        NGX_HTTP_LOC_CONF|NGX_CONF_TAKE1,  /* 用在 location 指令块内，且有1个参数 */
        ngx_http_echo,         /* 处理回调函数 */
        NGX_HTTP_LOC_CONF_OFFSET,    
        offsetof(ngx_http_echo_loc_conf_t, ed), /* 指定参数读取位置 */
        NULL },
        ngx_null_command
};
/* Http context of the module */
static ngx_http_module_t  ngx_http_echo_module_ctx = {
    NULL,                                  /* preconfiguration */
    NULL,                                  /* postconfiguration */
    NULL,                                  /* create main configuration */
    NULL,                                  /* init main configuration */
    NULL,                                  /* create server configuration */
    NULL,                                  /* merge server configuration */
    ngx_http_echo_create_loc_conf,         /* create location configration */
    ngx_http_echo_merge_loc_conf           /* merge location configration */
};
/* Module */
ngx_module_t  ngx_http_echo_module = {
    NGX_MODULE_V1,
    &ngx_http_echo_module_ctx,             /* module context */
    ngx_http_echo_commands,                /* module directives */
    NGX_HTTP_MODULE,                       /* module type */
    NULL,                                  /* init master */
    NULL,                                  /* init module */
    NULL,                                  /* init process */
    NULL,                                  /* init thread */
    NULL,                                  /* exit thread */
    NULL,                                  /* exit process */
    NULL,                                  /* exit master */
    NGX_MODULE_V1_PADDING
};
/* Handler function */
static ngx_int_t
ngx_http_echo_handler(ngx_http_request_t *r)
{
    ngx_int_t rc;
    ngx_buf_t *b;
    ngx_chain_t out;
    ngx_http_echo_loc_conf_t *elcf;
    /* 获取指令的参数 */
    elcf = ngx_http_get_module_loc_conf(r, ngx_http_echo_module);
    if(!(r->method & (NGX_HTTP_HEAD|NGX_HTTP_GET|NGX_HTTP_POST)))
    {
        /* 如果不是 HEAD/GET/PUT 请求，则返回405 Not Allowed错误 */
        return NGX_HTTP_NOT_ALLOWED;
    }
    r->headers_out.content_type.len = sizeof("text/html") - 1;
    r->headers_out.content_type.data = (u_char *) "text/html";
    r->headers_out.status = NGX_HTTP_OK;
    r->headers_out.content_length_n = elcf->ed.len;
    if(r->method == NGX_HTTP_HEAD)
    {
        rc = ngx_http_send_header(r);
        if(rc != NGX_OK)
        {
            return rc;
        }
    }
    b = ngx_pcalloc(r->pool, sizeof(ngx_buf_t));
    if(b == NULL)
    {
        ngx_log_error(NGX_LOG_ERR, r->connection->log, 0, "Failed to allocate response buffer.");
        return NGX_HTTP_INTERNAL_SERVER_ERROR;
    }
    out.buf = b;
    out.next = NULL;
    b->pos = elcf->ed.data;
    b->last = elcf->ed.data + (elcf->ed.len);
    b->memory = 1;
    b->last_buf = 1;
    rc = ngx_http_send_header(r);
    if(rc != NGX_OK)
    {
        return rc;
    }
    /* 向用户发送相应包 */
    return ngx_http_output_filter(r, &out);
}
static char *
ngx_http_echo(ngx_conf_t *cf, ngx_command_t *cmd, void *conf)
{
    ngx_http_core_loc_conf_t  *clcf;
    clcf = ngx_http_conf_get_module_loc_conf(cf, ngx_http_core_module);
    /* 指定处理的handler */
    clcf->handler = ngx_http_echo_handler;
    ngx_conf_set_str_slot(cf,cmd,conf);
    return NGX_CONF_OK;
}
static void *
ngx_http_echo_create_loc_conf(ngx_conf_t *cf)
{
    ngx_http_echo_loc_conf_t  *conf;
    conf = ngx_pcalloc(cf->pool, sizeof(ngx_http_echo_loc_conf_t));
    if (conf == NULL) {
        return NGX_CONF_ERROR;
    }
    conf->ed.len = 0;
    conf->ed.data = NULL;
    return conf;
}
static char *
ngx_http_echo_merge_loc_conf(ngx_conf_t *cf, void *parent, void *child)
{
    ngx_http_echo_loc_conf_t *prev = parent;
    ngx_http_echo_loc_conf_t *conf = child;
    ngx_conf_merge_str_value(conf->ed, prev->ed, "");
    return NGX_CONF_OK;
}

这样一个第三方模块包就完成了，接下来我们要向之前使用第三方模块一样，将它编译进 Nginx，具体操作如下。

[root@server shencong]# cd nginx-1.17.6/
[root@server nginx-1.17.6]# ./configure --prefix=/root/shencong/nginx-echo --add-module=/root/shencong/echo-nginx-module
...
[root@server nginx-1.17.6] # make && make install
...
[root@server nginx-1.17.6]# cd ../nginx-echo/sbin/
[root@server sbin]# ./nginx -V
nginx version: nginx/1.17.6
built by gcc 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-39) (GCC) 
configure arguments: --prefix=/root/shencong/nginx-echo --add-module=/root/shencong/echo-nginx-module

接下来，我们只要在 nginx.conf 中加入我们的指令，并给一个参数，就能看到我们自定义的输出了。

...
http {
   ...
   server {
       listen       80;
       server_name  localhost;
       location / {
            root   html;
            index  index.html index.htm;
       }
       
       location /test {
            echo hello,world;
       }
       ...
   }
}
...

最后我们请求主机的80端口，URI=/test，浏览器输出"hello, world"，说明我们的自定义模块成功了！

图片描述

3. 小结

在 Nginx 基础架构介绍的最后，主要是介绍了 Nginx 的模块设计以及相应的模块用法。最后，我们简单给出了一个简单编写自己模块的案例作为本章的实战案例。希望这一节之后，大家能对 Nginx 的模块化设计有所了解，并有兴趣在模块的源码方向深入学习。