NGINX 快取機制深度解析與實戰應用

NGINX 作為網頁伺服器和反向代理伺服器，其快取機制是提升網站效能的關鍵。本文不僅解析了 NGINX 的各種快取狀態，例如 MISS、HIT、BYPASS 等，更提供了實際組態案例，說明如何設定快取有效期、忽略來源伺服器的快取控制標頭，以及啟用 POST 請求的快取。針對動態內容，文章也提供最佳實踐，例如自定義快取鍵值，以及如何清除特定快取內容。此外，文章還涵蓋了 NGINX 對於位元組範圍請求的處理流程，讓讀者瞭解 NGINX 如何最佳化大檔案下載。

NGINX 快取機制深度解析與實戰應用

NGINX 是一款高效能的網頁伺服器與反向代理伺服器，其內建的快取機制能夠顯著提升網站效能，減少對後端伺服器的負載。本文將探討 NGINX 的快取功能，並提供詳細的組態範例與最佳實踐。

NGINX 快取狀態解析

NGINX 提供了多種快取狀態來幫助管理員瞭解快取的使用情況：

主要快取狀態型別

1. MISS - 快取未命中，需從原始伺服器取得資料
2. HIT - 快取命中，直接傳回快取內容
3. BYPASS - 忽略快取，直接存取原始伺服器
4. EXPIRED - 快取已過期
5. STALE - 快取內容已過時但仍被使用
6. UPDATING - 快取正在更新中
7. REVALIDATED - 快取內容透過驗證仍有效

location / {
    proxy_cache my_cache;
    proxy_cache_revalidate on;
    add_header X-Cache-Status $upstream_cache_status;
}

內容解密：

此組態啟用了快取重新驗證功能，並透過 X-Cache-Status 標頭回應快取狀態。proxy_cache_revalidate 指令允許 NGINX 在快取內容過期時，使用 If-Modified-Since 或 If-None-Match 請求驗證快取是否仍有效。

NGINX 快取控制策略

NGINX 預設遵循來源伺服器的 Cache-Control 標頭設定，不會快取設定為 Private、No-Cache 或 No-Store 的回應內容。

自定義快取策略

location /images/ {
    proxy_cache my_cache;
    proxy_ignore_headers Cache-Control;
    proxy_cache_valid any 30m;
    proxy_cache_methods GET HEAD POST;
}

內容解密：

1. proxy_ignore_headers Cache-Control; 忽略來源伺服器的快取控制標頭
2. proxy_cache_valid any 30m; 設定所有回應的快取有效期為30分鐘
3. proxy_cache_methods GET HEAD POST; 啟用 POST 請求的快取功能

動態內容快取最佳實踐

對於動態內容的快取，NGINX 提供了一套完整的解決方案。即使是動態產生的內容，也可以透過適當的快取策略提升效能：

實戰組態範例

http {
    proxy_cache_path /path/to/cache levels=1:2 keys_zone=my_cache:10m max_size=10g inactive=60m use_temp_path=off;
    
    server {
        location / {
            proxy_cache my_cache;
            proxy_pass http://backend;
            proxy_cache_key "$scheme$request_method$host$request_uri";
            proxy_cache_valid 200 301 302 10m;
            proxy_cache_valid 404 1m;
        }
    }
}

內容解密：

1. proxy_cache_path 定義了快取的儲存路徑與相關引數
   • levels=1:2 設定快取目錄層級
   • keys_zone=my_cache:10m 定義共用記憶體區域
   • max_size=10g 設定快取大小上限
2. proxy_cache_key 自定義快取鍵值，包含請求方法以區分不同請求

快取清除機制實作

NGINX Plus 提供了快取清除功能，允許管理員手動清除特定快取內容：

快取清除組態範例

location ~ /purge(/.*) {
    proxy_cache_purge my_cache "$scheme$request_method$host$1";
    allow 127.0.0.1;
    deny all;
}

內容解密：

1. proxy_cache_purge 指令用於清除指定快取
2. 使用正規表示式匹配需要清除的快取路徑
3. 透過 allow 和 deny 指令限制清除請求的來源 IP

位元組範圍請求處理

NGINX 能夠有效處理位元組範圍請求，對於大檔案的下載特別有用：

位元組範圍請求處理流程

1. 若檔案已快取，NGINX 直接回應位元組範圍請求
2. 若檔案未快取，NGINX 會先下載完整檔案
3. 下載過程中，若請求為單一位元組範圍，NGINX 會即時回應已下載的部分
4. 檔案下載完成後會存入快取，供未來請求使用

隨著 Web 應用的不斷演進，NGINX 的快取機制也在持續改進。未來可能會出現更多針對特定場景的最佳化方案，例如：

• 更精細的快取控制策略
• 自動化的快取清除機制
• 與 CDN 服務的更緊密整合

管理員應持續關注 NGINX 的更新，以充分利用最新的功能與最佳實踐，不斷最佳化網站效能。

附錄：常見問題與解決方案

如何處理動態內容的快取？

對於動態內容，可以透過設定適當的 Cache-Control 標頭和 proxy_cache_valid 指令來控制快取的有效期。同時，可以使用 proxy_cache_key 自定義快取鍵值，將使用者相關的資訊納入其中，以避免不同使用者看到相同的快取內容。

如何確保快取更新的一致性？

可以使用 proxy_cache_revalidate 指令啟用快取重新驗證功能，確保快取內容在過期後能夠及時更新。同時，可以透過組態 proxy_cache_use_stale 指令，在更新過程中允許使用過時的快取內容，以提升系統的可用性。

如何監控 NGINX 的快取命中率？

可以透過設定 add_header X-Cache-Status $upstream_cache_status; 來在回應標頭中新增快取狀態資訊。透過監控這個標頭，可以統計快取的命中率，從而評估快取組態的有效性。

高效能快取技術：NGINX 與 NGINX Plus 深度解析

在現代網站架構中，快取技術扮演著至關重要的角色。NGINX 與 NGINX Plus 作為業界領先的網頁伺服器與負載平衡解決方案，提供了強大的快取功能，能夠顯著提升網站效能並減少伺服器負載。本文將探討 NGINX 與 NGINX Plus 的快取機制，並提供實際的應用案例與最佳實踐。

NGINX 快取基礎

NGINX 的快取功能主要透過 ngx_http_proxy_module 模組實作。該模組允許 NGINX 將後端伺服器的回應快取起來，以減少對後端伺服器的請求次數，從而提升整體效能。

基本組態範例

http {
    proxy_cache_path /data/nginx/cache levels=1:2 keys_zone=my_cache:10m max_size=10g;
    
    server {
        location / {
            proxy_pass http://backend_server;
            proxy_cache my_cache;
            proxy_cache_valid 200 301 302 10m;
            proxy_cache_min_uses 3;
            proxy_cache_revalidate on;
        }
    }
}

內容解密：

此組態範例中：

1. proxy_cache_path 定義了快取儲存的路徑、層級結構、分享記憶體區網域名稱與大小，以及最大快取大小。
2. proxy_cache 啟用了名為 my_cache 的快取區域。
3. proxy_cache_valid 設定了 HTTP 狀態碼 200、301 和 302 的回應快取有效時間為 10 分鐘。
4. proxy_cache_min_uses 設定了資源至少被請求 3 次後才會被快取。
5. proxy_cache_revalidate 啟用了快取過期後，使用 If-Modified-Since 或 If-None-Match 頭部與後端伺服器驗證快取的新鮮度。

快取進階應用

快取清除

NGINX Plus 提供了更進階的快取清除功能，可以透過 proxy_cache_purge 指令實作。

location ~ /purge(/.*) {
    proxy_cache_purge my_cache "$scheme$request_method$host$1";
    allow 127.0.0.1;
    deny all;
}

內容解密：

此組態允許從本地端（127.0.0.1）發起快取清除請求。請求的 URL 格式為 /purge/path/to/resource，NGINX Plus 會根據該 URL 清除對應的快取內容。

快取策略最佳實踐

1. 快取層級設計：合理規劃快取層級（如使用 levels 引數），避免單一目錄下檔案過多影響效能。
2. 快取大小控制：透過 max_size 引數限制快取總大小，防止磁碟空間被耗盡。
3. 快取有效期管理：根據不同型別的資源設定合理的快取有效期，平衡新鮮度與效能。
4. 快取驗證：啟用 proxy_cache_revalidate，在快取過期後與後端伺服器驗證資源更新狀態。
5. 安全性考量：限制快取清除介面的存取許可權，防止未授權的快取清除操作。

效能最佳化建議

1. 使用快取叢集：在多台 NGINX 伺服器間共用快取，減少快取未命中率。
2. 微快取技術：對於動態內容，使用微快取（Micro-Caching）策略，快取內容數秒至數分鐘。
3. 位元組範圍快取：針對大檔案，啟用位元組範圍請求快取，提高大檔案傳輸效率。

參考資源

1. NGINX 高效能快取技術部落格
2. NGINX 快取
3. 使用 NGINX 最大化 PHP 7 效能
4. NGINX Plus 管理：內容快取
5. NGINX Plus 快取清除功能

透過這些資源，您可以更深入瞭解 NGINX 與 NGINX Plus 的快取功能，並根據實際需求進行最佳化組態。