Nginx 過濾模塊的分析

過濾模塊的分析

相關(guān)結(jié)構(gòu)體

ngx_chain_t 結(jié)構(gòu)非常簡單，是一個(gè)單向鏈表：

        typedef struct ngx_chain_s ngx_chain_t;

        struct ngx_chain_s {
            ngx_buf_t    *buf;
            ngx_chain_t  *next;
        };

在過濾模塊中，所有輸出的內(nèi)容都是通過一條單向鏈表所組成。這種單向鏈表的設(shè)計(jì)，正好應(yīng)和了 Nginx 流式的輸出模式。每次 Nginx 都是讀到一部分的內(nèi)容，就放到鏈表，然后輸出出去。這種設(shè)計(jì)的好處是簡單，非阻塞，但是相應(yīng)的問題就是跨鏈表的內(nèi)容操作非常麻煩，如果需要跨鏈表，很多時(shí)候都只能緩存鏈表的內(nèi)容。

單鏈表負(fù)載的就是 ngx_buf_t，這個(gè)結(jié)構(gòu)體使用非常廣泛，先讓我們看下該結(jié)構(gòu)體的代碼：

        struct ngx_buf_s {
            u_char          *pos;       /* 當(dāng)前buffer真實(shí)內(nèi)容的起始位置 */
            u_char          *last;      /* 當(dāng)前buffer真實(shí)內(nèi)容的結(jié)束位置 */
            off_t            file_pos;  /* 在文件中真實(shí)內(nèi)容的起始位置   */
            off_t            file_last; /* 在文件中真實(shí)內(nèi)容的結(jié)束位置   */

            u_char          *start;    /* buffer內(nèi)存的開始分配的位置 */
            u_char          *end;      /* buffer內(nèi)存的結(jié)束分配的位置 */
            ngx_buf_tag_t    tag;      /* buffer屬于哪個(gè)模塊的標(biāo)志 */
            ngx_file_t      *file;     /* buffer所引用的文件 */

            /* 用來引用替換過后的buffer，以便當(dāng)所有buffer輸出以后，
             * 這個(gè)影子buffer可以被釋放。
             */
            ngx_buf_t       *shadow; 

            /* the buf's content could be changed */
            unsigned         temporary:1;

            /*
             * the buf's content is in a memory cache or in a read only memory
             * and must not be changed
             */
            unsigned         memory:1;

            /* the buf's content is mmap()ed and must not be changed */
            unsigned         mmap:1;

            unsigned         recycled:1; /* 內(nèi)存可以被輸出并回收 */
            unsigned         in_file:1;  /* buffer的內(nèi)容在文件中 */
            /* 馬上全部輸出buffer的內(nèi)容, gzip模塊里面用得比較多 */
            unsigned         flush:1;
            /* 基本上是一段輸出鏈的最后一個(gè)buffer帶的標(biāo)志，標(biāo)示可以輸出，
             * 有些零長度的buffer也可以置該標(biāo)志
             */
            unsigned         sync:1;
            /* 所有請求里面最后一塊buffer，包含子請求 */
            unsigned         last_buf:1;
            /* 當(dāng)前請求輸出鏈的最后一塊buffer         */
            unsigned         last_in_chain:1;
            /* shadow鏈里面的最后buffer，可以釋放buffer了 */
            unsigned         last_shadow:1;
            /* 是否是暫存文件 */
            unsigned         temp_file:1;

            /* 統(tǒng)計(jì)用，表示使用次數(shù) */
            /* STUB */ int   num;
        };

一般 buffer 結(jié)構(gòu)體可以表示一塊內(nèi)存，內(nèi)存的起始和結(jié)束地址分別用 start 和 end 表示，pos 和 last 表示實(shí)際的內(nèi)容。如果內(nèi)容已經(jīng)處理過了，pos 的位置就可以往后移動。如果讀取到新的內(nèi)容，last 的位置就會往后移動。所以 buffer 可以在多次調(diào)用過程中使用。如果 last 等于 end，就說明這塊內(nèi)存已經(jīng)用完了。如果 pos 等于 last，說明內(nèi)存已經(jīng)處理完了。下面是一個(gè)簡單的示意圖，說明 buffer 中指針的用法：

響應(yīng)頭過濾函數(shù)

響應(yīng)頭過濾函數(shù)主要的用處就是處理 HTTP 響應(yīng)的頭，可以根據(jù)實(shí)際情況對于響應(yīng)頭進(jìn)行修改或者添加刪除。響應(yīng)頭過濾函數(shù)先于響應(yīng)體過濾函數(shù)，而且只調(diào)用一次，所以一般可作過濾模塊的初始化工作。

響應(yīng)頭過濾函數(shù)的入口只有一個(gè)：

        ngx_int_t
        ngx_http_send_header(ngx_http_request_t *r)
        {
            ...

            return ngx_http_top_header_filter(r);
        }

該函數(shù)向客戶端發(fā)送回復(fù)的時(shí)候調(diào)用，然后按前一節(jié)所述的執(zhí)行順序。該函數(shù)的返回值一般是 NGX_OK，NGX_ERROR 和 NGX_AGAIN，分別表示處理成功，失敗和未完成。

你可以把 HTTP 響應(yīng)頭的存儲方式想象成一個(gè) hash 表，在 Nginx 內(nèi)部可以很方便地查找和修改各個(gè)響應(yīng)頭部，ngx_http_header_filter_module 過濾模塊把所有的 HTTP 頭組合成一個(gè)完整的 buffer，最終 ngx_http_write_filter_module 過濾模塊把 buffer 輸出。

按照前一節(jié)過濾模塊的順序，依次講解如下：

響應(yīng)體過濾函數(shù)

響應(yīng)體過濾函數(shù)是過濾響應(yīng)主體的函數(shù)。ngx_http_top_body_filter 這個(gè)函數(shù)每個(gè)請求可能會被執(zhí)行多次，它的入口函數(shù)是 ngx_http_output_filter，比如：

        ngx_int_t
        ngx_http_output_filter(ngx_http_request_t *r, ngx_chain_t *in)
        {
            ngx_int_t          rc;
            ngx_connection_t  *c;

            c = r->connection;

            rc = ngx_http_top_body_filter(r, in);

            if (rc == NGX_ERROR) {
                /* NGX_ERROR may be returned by any filter */
                c->error = 1;
            }

            return rc;
        }

ngx_http_output_filter 可以被一般的靜態(tài)處理模塊調(diào)用，也有可能是在 upstream 模塊里面被調(diào)用，對于整個(gè)請求的處理階段來說，他們處于的用處都是一樣的，就是把響應(yīng)內(nèi)容過濾，然后發(fā)給客戶端。

具體模塊的響應(yīng)體過濾函數(shù)的格式類似這樣：

        static int 
        ngx_http_example_body_filter(ngx_http_request_t *r, ngx_chain_t *in)
        {
            ...

            return ngx_http_next_body_filter(r, in);
        }

該函數(shù)的返回值一般是 NGX_OK，NGX_ERROR 和 NGX_AGAIN，分別表示處理成功，失敗和未完成。

主要功能介紹

響應(yīng)的主體內(nèi)容就存于單鏈表 in，鏈表一般不會太長，有時(shí) in 參數(shù)可能為 NULL。in中存有buf結(jié)構(gòu)體中，對于靜態(tài)文件，這個(gè)buf大小默認(rèn)是 32K；對于反向代理的應(yīng)用，這個(gè)buf可能是4k或者8k。為了保持內(nèi)存的低消耗，Nginx一般不會分配過大的內(nèi)存，處理的原則是收到一定的數(shù)據(jù)，就發(fā)送出去。一個(gè)簡單的例子，可以看看Nginx的chunked_filter模塊，在沒有 content-length 的情況下，chunk 模塊可以流式（stream）的加上長度，方便瀏覽器接收和顯示內(nèi)容。

在響應(yīng)體過濾模塊中，尤其要注意的是 buf 的標(biāo)志位，完整描述可以在“相關(guān)結(jié)構(gòu)體”這個(gè)節(jié)中看到。如果 buf 中包含 last 標(biāo)志，說明是最后一塊 buf，可以直接輸出并結(jié)束請求了。如果有 flush 標(biāo)志，說明這塊 buf 需要馬上輸出，不能緩存。如果整塊 buffer 經(jīng)過處理完以后，沒有數(shù)據(jù)了，你可以把 buffer 的 sync 標(biāo)志置上，表示只是同步的用處。

當(dāng)所有的過濾模塊都處理完畢時(shí)，在最后的 write_fitler 模塊中，Nginx 會將 in 輸出鏈拷貝到 r->out 輸出鏈的末尾，然后調(diào)用 sendfile 或者 writev 接口輸出。由于 Nginx 是非阻塞的 socket 接口，寫操作并不一定會成功，可能會有部分?jǐn)?shù)據(jù)還殘存在 r->out。在下次的調(diào)用中，Nginx 會繼續(xù)嘗試發(fā)送，直至成功。

發(fā)出子請求

Nginx 過濾模塊一大特色就是可以發(fā)出子請求，也就是在過濾響應(yīng)內(nèi)容的時(shí)候，你可以發(fā)送新的請求，Nginx 會根據(jù)你調(diào)用的先后順序，將多個(gè)回復(fù)的內(nèi)容拼接成正常的響應(yīng)主體。一個(gè)簡單的例子可以參考 addition 模塊。

Nginx 是如何保證父請求和子請求的順序呢？當(dāng) Nginx 發(fā)出子請求時(shí)，就會調(diào)用 ngx_http_subrequest 函數(shù)，將子請求插入父請求的 r->postponed 鏈表中。子請求會在主請求執(zhí)行完畢時(shí)獲得依次調(diào)用。子請求同樣會有一個(gè)請求所有的生存期和處理過程，也會進(jìn)入過濾模塊流程。

關(guān)鍵點(diǎn)是在 postpone_filter 模塊中，它會拼接主請求和子請求的響應(yīng)內(nèi)容。r->postponed 按次序保存有父請求和子請求，它是一個(gè)鏈表，如果前面一個(gè)請求未完成，那后一個(gè)請求內(nèi)容就不會輸出。當(dāng)前一個(gè)請求完成時(shí)并輸出時(shí)，后一個(gè)請求才可輸出，當(dāng)所有的子請求都完成時(shí)，所有的響應(yīng)內(nèi)容也就輸出完畢了。

一些優(yōu)化措施

Nginx 過濾模塊涉及到的結(jié)構(gòu)體，主要就是 chain 和 buf，非常簡單。在日常的過濾模塊中，這兩類結(jié)構(gòu)使用非常頻繁，Nginx采用類似 freelist 重復(fù)利用的原則，將使用完畢的 chain 或者 buf 結(jié)構(gòu)體，放置到一個(gè)固定的空閑鏈表里，以待下次使用。

比如，在通用內(nèi)存池結(jié)構(gòu)體中，pool->chain 變量里面就保存著釋放的 chain。而一般的 buf 結(jié)構(gòu)體，沒有模塊間公用的空閑鏈表池，都是保存在各模塊的緩存空閑鏈表池里面。對于 buf 結(jié)構(gòu)體，還有一種 busy 鏈表，表示該鏈表中的 buf 都處于輸出狀態(tài)，如果 buf 輸出完畢，這些 buf 就可以釋放并重復(fù)利用了。

過濾內(nèi)容的緩存

由于 Nginx 設(shè)計(jì)流式的輸出結(jié)構(gòu)，當(dāng)我們需要對響應(yīng)內(nèi)容作全文過濾的時(shí)候，必須緩存部分的 buf 內(nèi)容。該類過濾模塊往往比較復(fù)雜，比如 sub，ssi，gzip 等模塊。這類模塊的設(shè)計(jì)非常靈活，我簡單講一下設(shè)計(jì)原則：

1. 輸入鏈 in 需要拷貝操作，經(jīng)過緩存的過濾模塊，輸入輸出鏈往往已經(jīng)完全不一樣了，所以需要拷貝，通過 ngx_chain_add_copy 函數(shù)完成。

2. 一般有自己的 free 和 busy 緩存鏈表池，可以提高 buf 分配效率。

3. 如果需要分配大塊內(nèi)容，一般分配固定大小的內(nèi)存卡，并設(shè)置 recycled 標(biāo)志，表示可以重復(fù)利用。

4. 原有的輸入 buf 被替換緩存時(shí)，必須將其 buf->pos 設(shè)為 buf->last，表明原有的 buf 已經(jīng)被輸出完畢?；蛘咴谛陆⒌?buf，將 buf->shadow 指向舊的 buf，以便輸出完畢時(shí)及時(shí)釋放舊的 buf。