Nginx (发音为 “engine-x”) 是一个高性能的 HTTP 和反向代理服务器，也可以用作 邮件代理服务器 和通用的 TCP/UDP 代理服务器。它最初由 Igor Sysoev 为俄罗斯最大的门户网站和搜索引擎 Rambler 开发，并于 2004 年公开发布。Nginx 因其卓越的性能、稳定性、丰富的功能集和低资源消耗而广受欢迎，是构建现代高并发 Web 应用程序和微服务架构不可或缺的组件。

核心思想：Nginx 采用事件驱动 (event-driven)、异步非阻塞 (asynchronous, non-blocking) 架构，使其在处理大量并发连接时表现出色，远超传统的基于进程/线程模型的服务器。

一、为什么选择 Nginx？ (优势)

Nginx 之所以成为众多高流量网站和云服务提供商的首选，主要得益于以下优势：

  1. 高性能高并发：
    • 事件驱动架构：Nginx 的核心是其事件驱动的异步非阻塞架构。这意味着单个工作进程可以处理数千个并发连接，而无需为每个连接创建单独的进程或线程。这大大减少了上下文切换的开销和内存消耗。
    • 低内存消耗：相较于 Apache 等基于进程/线程模型的服务器，Nginx 在高并发下占用更少的内存。
  2. 稳定性与可靠性：
    • 其设计使得在极端负载下也能保持稳定运行，很少崩溃。
  3. 功能丰富：
    • 除了作为高效的静态文件服务器，Nginx 还提供了强大的反向代理、负载均衡、缓存、SSL/TLS 终止、HTTP/2 支持、流媒体服务、限流等功能。
  4. 模块化设计：
    • Nginx 的核心功能通过模块实现，这使得其易于扩展和定制。
  5. 易于扩展：
    • 可以通过配置实现高度灵活的路由规则和请求处理逻辑。
  6. 活跃的社区支持：
    • 拥有庞大而活跃的社区，提供丰富的文档、插件和支持。

二、Nginx 的核心功能与概念

2.1 Web 服务器 (Serving Static Files)

Nginx 可以作为高效的静态文件服务器，直接提供 HTML、CSS、JavaScript 文件、图片等。由于其异步架构，Nginx 在处理静态文件请求方面性能卓越，特别适合作为 CDN 的边缘节点。

2.2 反向代理 (Reverse Proxy)

定义：反向代理服务器接收来自客户端的请求，然后将这些请求转发给后端的一个或多个服务器，并将后端服务器的响应返回给客户端。客户端并不知道它连接的是一个代理服务器。

作用：

  • 隐藏后端服务器：客户端只看到 Nginx 的 IP 地址，提高了安全性。
  • 负载均衡：可以将请求分发到多个后端服务器。
  • SSL/TLS 终止：Nginx 可以处理 HTTPS 加密解密，将未加密的请求转发给后端服务器，减轻后端负担。
  • 缓存：Nginx 可以缓存后端服务器的响应，减少对后端服务的压力。
  • 请求过滤与限流：在请求到达后端服务之前进行处理。

2.3 负载均衡 (Load Balancer)

定义：当有多个后端服务器时，Nginx 可以作为负载均衡器，将客户端请求分发到这些服务器上，以平衡服务器负载、提高系统的可用性和可伸缩性。

负载均衡算法：

  • Round Robin (轮询)：默认算法。按顺序将请求分发给每个服务器。
  • Least Connections (最少连接)：将请求发送给当前活动连接数最少的服务器。
  • IP Hash (IP 哈希)：根据客户端 IP 地址的哈希值来分发请求，确保同一客户端的请求总是发送到同一台服务器，适用于会话保持。
  • Weighted Round Robin (加权轮询)：为不同的服务器设置权重，权重越高，分配到的请求越多。
  • Generic Hash (通用哈希)：根据用户自定义的键（如 URL、请求头等）的哈希值来分发。

2.4 代理缓存 (Proxy Cache)

Nginx 可以缓存反向代理的响应，将来自后端服务器的响应存储在本地磁盘上。当相同的请求再次到来时，Nginx 可以直接从缓存中提供响应，而无需再次访问后端服务器，大大提高了响应速度并减轻了后端服务的压力。

2.5 SSL/TLS 终止 (SSL/TLS Termination)

Nginx 可以在接收到客户端的 HTTPS 请求时，负责解密 SSL/TLS 连接。这样，后端服务可以只处理 HTTP 请求，简化了后端配置，并减轻了其加密解密的计算负担。

三、Nginx 的架构

Nginx 采用主进程 (Master Process) 和工作进程 (Worker Processes) 的架构模型：

  • Master Process (主进程)：
    • 负责读取和验证配置文件。
    • 管理工作进程，如启动、停止、平滑升级 Nginx。
    • 监控工作进程的状态。
  • Worker Processes (工作进程)：
    • 实际处理客户端请求的进程。
    • 每个工作进程都是单线程的，但通过高效的事件循环 (Event Loop) 机制，可以并发处理数千个连接。
    • Nginx 建议将工作进程数设置为 CPU 的核心数，以最大限度地利用 CPU 资源。

四、Nginx 安装 (以 Ubuntu 为例)

通过包管理器安装是推荐的方式：

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# 更新包列表
sudo apt update

# 安装 Nginx
sudo apt install nginx

# 启动 Nginx
sudo systemctl start nginx

# 设置开机自启动
sudo systemctl enable nginx

# 检查 Nginx 状态
sudo systemctl status nginx

安装完成后，在浏览器中访问服务器的 IP 地址，如果看到 “Welcome to nginx!” 页面，则表示安装成功。

五、Nginx 配置详解 (nginx.conf)

Nginx 的所有功能都通过配置文件来定义，通常位于 /etc/nginx/nginx.conf 或 /etc/nginx/conf.d/*.conf。配置文件由指令 (directives) 和上下文 (contexts) 组成。

5.1 配置上下文 (Contexts)

指令根据其作用范围被放置在不同的上下文中：

  • main (全局上下文)：最高层级，影响整个 Nginx 服务器的运行，如 user, worker_processes, error_log, pid。
  • events (事件模型上下文)：配置 Nginx 工作进程如何处理连接，如 worker_connections, use。
  • http (HTTP 协议上下文)：配置所有 HTTP 服务器的通用行为，如 include mime.types, sendfile, gzip。
  • server (虚拟主机上下文)：定义一个虚拟主机，监听特定端口和域名，通常包含在 http 块中。一个 http 块可以有多个 server 块。
  • location (URI 匹配上下文)：在 server 块内部，根据请求 URI 匹配并定义特定的请求处理规则。一个 server 块可以有多个 location 块。
  • upstream (上游服务器上下文)：定义一组后端服务器，用于负载均衡和反向代理。通常包含在 http 块中。

5.2 常用指令示例

全局配置 (main context)：

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user nginx;               # Nginx 工作进程运行的用户和组
worker_processes auto;    # 工作进程数量，auto 表示根据 CPU 核心数自动设置
error_log /var/log/nginx/error.log warn; # 错误日志路径和级别
pid /var/run/nginx.pid;   # Nginx 主进程的 PID 文件路径

事件配置 (events context)：

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events {
    worker_connections 1024;  # 每个工作进程的最大连接数
    # use epoll;              # 指定事件处理模型，Linux 默认为 epoll
}

HTTP 配置 (http context)：

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http {
    include /etc/nginx/mime.types; # 包含 MIME 类型映射表
    default_type application/octet-stream; # 默认 MIME 类型

    sendfile on;       # 启用高效文件传输模式
    tcp_nopush on;     # 在 sendfile 启用时，将头部和数据一起发送
    tcp_nodelay on;    # 实时传输数据

    keepalive_timeout 65; # 长连接超时时间，65秒
    types_hash_max_size 2048;

    gzip on; # 启用 Gzip 压缩，减少传输数据量
    gzip_vary on;
    gzip_proxied any;
    gzip_comp_level 6;
    gzip_buffers 16 8k;
    gzip_http_version 1.1;
    gzip_types text/plain text/css application/json application/javascript text/xml application/xml application/xml+rss text/javascript;

    # 包含其他虚拟主机配置文件 (推荐按功能或域名拆分)
    include /etc/nginx/conf.d/*.conf; 
}

5.3 server 块 (虚拟主机)

一个 server 块定义了一个虚拟主机，监听特定的 IP 地址和端口，并根据 server_name 匹配请求域名。

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server {
    listen 80;                  # 监听 80 端口（HTTP）
    server_name example.com www.example.com; # 匹配的域名

    root /var/www/html;         # 网站根目录
    index index.html index.htm; # 默认索引文件

    # ... location 块定义
}

5.4 location 块 (URI 匹配)

location 块用于根据请求的 URI 路径定义不同的处理规则。Nginx 会按照优先级顺序查找匹配的 location 块。

匹配规则优先级 (从高到低)：

  1. = (精确匹配)：location = / 只匹配 /。
  2. ^~ (前缀匹配，优先于正则表达式)：location ^~ /images/ 会匹配所有以 /images/ 开头的 URI，并且如果匹配成功，Nginx 将停止搜索其他正则表达式匹配。
  3. ~ 或 ~* (正则表达式匹配)：
    • ~：区分大小写。location ~ \.php$ 匹配所有以 .php 结尾的 URI。
    • ~*：不区分大小写。location ~* \.(jpg|jpeg|gif)$ 匹配所有以 .jpg, .jpeg, .gif 结尾的 URI。
  4. 无修饰符 (普通前缀匹配)：location / 或 location /docs/。匹配以指定字符串开头的 URI，选择最长匹配项。
  5. / (通用匹配，默认处理)：location / 匹配所有请求，作为最终的备用处理。

示例：

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server {
    listen 80;
    server_name myapp.com;

    root /var/www/myapp/public; # 静态文件根目录

    # 匹配精确的根路径
    location = / {
        index index.html;
    }

    # 匹配所有以 /api/ 开头的请求，并反向代理到后端服务
    location /api/ {
        proxy_pass http://localhost:8080; # 转发到本地 8080 端口的后端服务
        proxy_set_header Host $host;      # 传递原始 Host 头
        proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr; # 传递客户端真实 IP
        proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for; # 传递代理链中的 IP
        proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme; # 传递原始请求协议 (http/https)
    }

    # 匹配图片文件，并设置缓存
    location ~* \.(jpg|jpeg|gif|png|ico|css|js)$ {
        expires 30d; # 缓存 30 天
        add_header Cache-Control "public";
    }

    # SPA 单页面应用路由回退：对于所有不匹配的文件，返回 index.html
    location / {
        # 尝试查找文件或目录，如果找不到，则返回 /index.html
        try_files $uri $uri/ /index.html; 
    }
}

5.5 upstream 块 (负载均衡池)

upstream 块定义一个后端服务器池，供 proxy_pass 指令引用。

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upstream backend_servers {
    # 负载均衡算法默认为 round robin
    server 192.168.1.100:8080 weight=5; # 权重为 5
    server 192.168.1.101:8080;
    server 192.168.1.102:8080 backup;   # 备份服务器，当所有主服务器都失效时才使用
    # least_conn;                       # 启用最少连接算法
    # ip_hash;                          # 启用 IP 哈希算法
}

server {
    listen 80;
    server_name myapp.com;

    location / {
        proxy_pass http://backend_servers; # 请求转发给 upstream 定义的服务器组
        # ... proxy headers
    }
}

六、常用配置场景示例

6.1 静态文件服务器

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server {
    listen 80;
    server_name static.example.com;

    root /usr/share/nginx/html/static;
    index index.html;

    location / {
        try_files $uri $uri/ =404; # 尝试查找文件或目录，否则返回 404
    }

    location ~* \.(css|js|gif|jpg|jpeg|png)$ {
        expires 30d; # 缓存 30 天
        add_header Cache-Control "public";
    }
}

6.2 反向代理到后端应用 (HTTP)

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server {
    listen 80;
    server_name api.example.com;

    location / {
        proxy_pass http://127.0.0.1:3000; # 代理到本地 3000 端口的 Node.js/Go 应用
        proxy_set_header Host $host;
        proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
        proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
        proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;
        # 允许 websocket 连接
        proxy_http_version 1.1;
        proxy_set_header Upgrade $http_upgrade;
        proxy_set_header Connection "upgrade";
    }
}

6.3 HTTPS 配置 (SSL/TLS Termination)

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# 强制 HTTP 重定向到 HTTPS
server {
    listen 80;
    server_name secure.example.com;
    return 301 https://$host$request_uri; # 301 永久重定向
}

server {
    listen 443 ssl http2; # 监听 443 端口，启用 SSL/TLS 和 HTTP/2
    server_name secure.example.com;

    ssl_certificate /etc/nginx/ssl/secure.example.com.crt; # SSL 证书路径
    ssl_certificate_key /etc/nginx/ssl/secure.example.com.key; # SSL 私钥路径
    ssl_session_cache shared:SSL:10m;
    ssl_session_timeout 10m;
    ssl_ciphers "ECDHE-ECDSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:ECDHE-ECDSA-AES256-GCM-SHA384:ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384:ECDHE-ECDSA-CHACHA20-POLY1305:ECDHE-RSA-CHACHA20-POLY1305:DHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:DHE-RSA-AES256-GCM-SHA384";
    ssl_protocols TLSv1.2 TLSv1.3; # 推荐只使用 TLSv1.2 和 TLSv1.3
    ssl_prefer_server_ciphers on;

    location / {
        proxy_pass http://127.0.0.1:3000; # 转发到后端 HTTP 服务
        # ... proxy headers
    }
}

七、Nginx 的管理命令

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sudo nginx -t             # 检查 Nginx 配置文件语法，很有用！
sudo nginx -s reload      # 重新加载配置，平滑重启 (不中断连接)
sudo nginx -s stop        # 快速停止 Nginx
sudo nginx -s quit        # 优雅地停止 Nginx (等待当前请求处理完毕)
sudo systemctl start nginx    # 启动 Nginx
sudo systemctl stop nginx     # 停止 Nginx
sudo systemctl restart nginx  # 重启 Nginx
sudo systemctl status nginx   # 查看 Nginx 运行状态

八、总结

Nginx 是一个强大而灵活的工具，它不仅可以作为高性能的 Web 服务器，更因其出色的反向代理和负载均衡能力，成为现代 Web 架构中不可或缺的组成部分。理解 Nginx 的事件驱动架构、核心功能和配置方式，对于构建高可用、高性能的 Web 服务至关重要。通过合理配置，Nginx 能够显著提升应用的性能、安全性和可伸缩性。