概述

前面文章学习到了 Nginx 的静态缓存功能，该功能本质上是用来控制客户端的缓存，相关的指令有：

• expires 指令
• add_header 指令

本章将深入到 Nginx 的 代理缓存（Proxy Cache），其本质上也是服务器缓存的一种。

代理缓存：指的是当 Nginx 作为 反向代理 时，将后端服务器返回的频繁请求内容存储在 Nginx 本地的内存或磁盘中，以便在后续请求相同内容时快速响应，而无需再次从后端服务器获取，减少对后端服务器的请求次数，提升性能与用户体验。

核心工作流程

完整的缓存生命周期包含 6 个关键步骤：

1. 缓存键生成‌ - 请求到达后，Nginx 根据配置规则生成唯一的缓存键（默认由协议、代理主机名、请求 URI 组合而成）
2. ‌缓存查找‌ - 用生成的缓存键在共享内存区域中快速检索是否存在对应缓存条目
3. ‌缓存命中‌ - 找到未过期的有效缓存，直接读取本地缓存内容返回给客户端，完全不访问后端服务器
4. 缓存未命中‌ - 无有效缓存时，将请求转发给后端服务器获取最新响应
5. 缓存存储‌ - 收到后端响应后，将符合缓存规则的内容写入指定的缓存目录，同时更新缓存元数据
6. 缓存失效‌ - 缓存条目超过设置的 TTL 时间，或长时间未被访问，会被自动清理，下次请求触发重新回源

术语与指令

相关术语

如下表所示：

相关指令

• proxy_cache 指令 - 启用对应的内存共享区域，例如 proxy_cache my_zone;。通常配置在 location 上下文中

• proxy_cache_valid 指令 - 设置不同 http 状态码的缓存时间，例如 proxy_cache_valid 200 302 10m; 和 proxy_cache_valid 404 1m;。通常配置在 location 上下文中

• proxy_cache_use_stale 指令- 在与后端服务器通信时，在哪些情况下可使用过期的缓存响应，例如 proxy_cache_use_stale error timeout updating http_500 http_502 http_503 http_504;。通常配置在 location 上下文中

• proxy_cache_path 指令 - 代理缓存核心配置，如 proxy_cache_path /var/cache/nginx levels=1:2 keys_zone=my_cache:50m inactive=1h max_size=1g use_temp_path=off;。仅能配置在 http 上下文中

  • /var/cache/nginx - 设置缓存文件所存放的目录，需要提前创建且对应用户有读写权限
  • levels=1:2 - 设置两级的目录结构
  • keys_zone=my_cache:50m - 定义 my_cache 这个共享内存区域并设置 50MB 的大小
  • inactive=1h - 1 小时内未被访问的缓存会自动清理
  • max_size=1g - 缓存的总大小上限
  • use_temp_path=off - 缓存直接写入到目标目录而不需要临时的中转目录

• proxy_cache_lock 指令 - 是否开启缓存更新锁。当多个客户端同时请求同一个未缓存或已过期的资源时，Nginx 可以通过缓存更新锁避免重复生成缓存内容，从而减轻后端服务器的负载

• proxy_cache_lock_timeout 指令 - 设置缓存锁的超时时间

• proxy_cache_background_update 指令 - 是否开启 "静默刷新"

• proxy_cache_bypass 指令 - 在请求阶段，定义在什么情况下跳过缓存查找过程，直接向后端服务器发起请求

• proxy_no_cache 指令 - 在响应阶段，定义在什么情况下不会将响应保存到缓存中

• proxy_cache_revalidate 指令 - 是否使用包含 "If-Modified-Since" 和 "If-None-Match" 的头字段，对已过期的缓存项进行重新验证

• proxy_pass 指令 - 设置后端服务器的协议（http 协议或 https 协议）和地址（IP 地址或域名），语法为 proxy_pass URL;

• proxy_cache_key 指令 - 控制缓存键的组合内容，默认为 proxy_cache_key $scheme$proxy_host$request_uri;

• add_header 指令- 添加标准的或自定义的响应头，如 add_header X-Cache-Status $upstream_cache_status always;，其中 $upstream_cache_status 的取值有以下的值：

  • HIT - 缓存命中，直接返回缓存内容
  • MISS - 缓存未命中，回源更新
  • BYPASS - 匹配了 proxy_cache_bypass 指令定义的指令参数，跳过缓存
  • EXPIRED - 缓存已过期，回源更新
  • UPDATING - 缓存过期但正在后台更新，当前返回 Stale
  • STALE - 返回了过期的 Stale 缓存（后端异常或正在 updating）
  • REVALIDATED - 搭配 proxy_cache_revalidate 指令，确认缓存仍有效

• proxy_set_header 指令 - 在请求转发给后端服务器之前，对 HTTP 请求头进行添加、修改或删除，语法为 proxy_set_header field value;

配置示例

Shell > mkdir -p /var/cache/nginx/

Shell > chown nginx:nginx /var/cache/nginx/ && chmod 755 /var/cache/nginx/

...
events {
    ...
}

http {
    ...
    # 代理缓存核心配置
    proxy_cache_path /var/cache/nginx levels=1:2 keys_zone=my_cache:50m inactive=1h max_size=1g use_temp_path=off;
    ...

    server {
        listen 192.168.100.20:80;
        server_name www.my-tests.com;
        return 301 https://www.my-tests.com$request_uri;
    }

    server {
        listen 192.168.100.20:443 ssl http2 backlog=8000 reuseport;
        server_name www.my-tests.com;

        # SSL/TLS 证书相关的配置
        ssl_certificate /usr/local/nginx/ssl/fullchain.pem;
        ssl_certificate_key /usr/local/nginx/ssl/my_privkey.key;
        ssl_protocols TLSv1.2 TLSv1.3;
        ssl_prefer_server_ciphers on;
        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_session_cache shared:SSL:10m;
        ssl_session_timeout 15m;
        ssl_stapling on;
        ssl_stapling_verify on;
        resolver 8.8.8.8 8.8.4.4 valid=300s;
        resolver_timeout 5s;

        # 在代理层统一设置压缩响应
        gzip on;
        gzip_vary on;
        gzip_buffers 32 4K;
        gzip_comp_level 5;
        gzip_types text/plain text/css text/xml application/json application/javascript application/xml application/xhtml+xml image/svg+xml application/x-font-ttf application/x-font-opentype application/vnd.ms-fontobject font/woff;
        gzip_min_length 256;

        location / {
            ...
            proxy_cache my_cache;

            # 这里的指令参数使用的是 "$host" 而不是 "$proxy_host"，主要是避免了重新缓存
            proxy_cache_key "$scheme$host$request_uri";

            proxy_cache_valid 200 302 10m;
            proxy_cache_valid 404 1m;
            proxy_cache_valid 500 502 503 504 10s;

            proxy_cache_lock on;
            proxy_cache_lock_timeout 5s;
            proxy_cache_background_update on;
            proxy_cache_use_stale error timeout updating http_500 http_502 http_503 http_504;

            # 添加自定义的调试响应头
            add_header X-Cache-Status $upstream_cache_status always;

            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;
            proxy_set_header Accept-Encoding "";  # 禁止后端压缩

            # 指向的是单台后端服务器，也可以指向一组服务器，只不过我们还没有学习代理相关的内容
            proxy_pass https://192.168.100.30;
        }
    }
}

代理缓存清理

代理缓存自动清理的依据是：

• TTL（Time To Live）
• inactive 超时
• LRU 淘汰策略

除了自动清理之外，您还可以手动清理，如：

# 清理全部缓存（生产环境中谨慎使用）
Shell > rm -rf /var/cache/nginx/*

调试与验证

# 第一次请求，预期 MISS
Shell > curl -I https://www.my-tests.com/

# 第二次请求，预期是 HIT
Shell > curl -I https://www.my-tests.com/

# 带 Cookie 请求（预期 BYPASS，如果配置了 "proxy_cache_bypass $cookie_sessionid"）
Shell > curl -I -H "Cookie: sessionid=abc123" https://www.my-tests.com/

# 调试时注意响应头的内容
...
HTTP/2 200
Server: nginx
X-Cache-Status: HIT
Content-Type: text/html
...

# 查看缓存目录的结构
Shell > tree /var/cacahe/nginx/

常见问题与排错

Q：缓存始终 MISS 的原因有哪些？

大概有两种：

• 后端响应头包含 Set-Cookie - 在 Nginx 主配置文件中配置 proxy_ignore_headers Set-Cookie;
• 后端返回 Cache-Control: no-cache - 在 Nginx 主配置文件中配置 proxy_ignore_headers Cache-Control;

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