Nginx共享内存的机制详解

什么是共享内存

共享内存是多个进程之间共享同一块内存空间的机制。不同于进程间通信（IPC）中的管道、消息队列、信号量等方式，共享内存可以通过多个进程同时直接读写同一块内存空间的方式实现数据的共享，因此在一些需要高效、频繁的数据处理场景下，使用共享内存是一种性能较好的选择。

Nginx的共享内存

Nginx支持使用共享内存在多个Worker进程之间共享数据。一般来说，Nginx的Worker进程是独立的进程，它们共享使用的一些数据可以通过共享内存实现。Nginx的共享内存机制是基于系统的共享内存机制的，因此要使用Nginx的共享内存，需要先创建一个系统级别的共享内存。

Nginx API提供了一些原子化的对共享内存进行读写的操作，这些操作可以安全地在多个Worker进程并发访问同一块内存时保证数据的一致性。同时，Nginx还提供了一些可以在共享内存下同步的锁、信号等机制，保证了操作的并发安全性和正确性。

Nginx共享内存的使用场景

Nginx的共享内存机制主要用于以下场景：

用于缓存加速：对于一些需要频繁访问的数据，可以将这些数据缓存到共享内存中，不必每次都从磁盘或数据库中读取，提升了访问速度。
进程间的协同操作：多个Worker进程可以通过共享内存进行同步和协同，例如多个Worker进程共享一份配置文件，当配置文件变更时，可以通知所有Worker进程重新加载配置文件。

Nginx的共享内存示例

下面是两个示例说明了如何在Nginx中使用共享内存。

示例1：缓存计数器

本示例实现的是一个缓存在共享内存中的计数器，每次请求到达Nginx服务器，计数器增加1，并将计数器的值输出到页面。

首先，我们需要在Nginx的配置文件中定义一个共享内存区域，例如：

http {
    ...

    # 定义共享内存key和大小
    # size单位是Byte，此处定义了4MB的共享内存
    # 用于存储计数器的值
    # 需要注意的是，多个Worker进程同时写入同一块共享内存时需要加锁，不然会导致数据混乱
    # 本示例中使用了内置的ngx_atomic_fetch_add函数进行了自旋锁，锁的key为counter_lock
    # 所有进程要共享锁时，必须使用同样的lock key
    # 初始化值为0
    counter_shm_size 4m;
    counter_shm_key 42;
    counter_lock shm:counter_lock;
    counter_shm_init 0;

    ...
}

接下来，在Nginx的conf文件中编写计数器的访问逻辑。例如，我们在location /下编写计数器的访问逻辑：

location / {
    # 引入counter模块
    include counter.conf;

    # 设置计数器递增
    counter.increment;

    # 访问计数器，输出到页面
    return 200 "This page has been visited $(counter.get) times.\n";
}

编写counter模块文件counter.conf，定义计数器相关的逻辑：

# /path/to/nginx/conf.d/counter.conf
# 定义ngx_http_counter_module
http {
  ...

  # 定义ngx_counter_module需要使用的一些结构体和常量

  ...

  # 定义一个共享内存，用于存放计数器的值
  # 将共享内存区域映射到counter_zone全局变量
  counter_zone $counter_shm_key zone=counter_shm:$counter_shm_size;

  # 定义一个锁，用于在多个Worker进程同时写入同一块共享内存时加锁
  # 将锁的实例赋值给counter_lock全局变量
  counter_lock_zone $counter_lock;

  server {
    ...

    # 初始化ngx_counter_module
    init_by_lua_block {
      local ngx = ngx

      local shared_dict = ngx.shared.counter_shm
      local counter_lock = ngx.shared.counter_lock

      local atomop = require "resty.counter.atomop"
      local counter = resty_counter:new(shared_dict, atomop)

      local ok, err = counter:boot()
      if not ok then
        ngx.log(ngx.ERR, "could not create a counter: ", err)
        return
      end

      ngx.ctx.counter = counter
      ngx.ctx.counter_lock = counter_lock
    }

    # 定义counter.increment方法，用于将计数器递增1
    # counter.increment方法使用自旋锁，用的是ngx_atomic_fetch_add
    location / {
      content_by_lua_block {
        local ngx = ngx
        local shared_dict = ngx.shared.counter_shm

        local counter = ngx.ctx.counter
        if not counter then
          ngx.log(ngx.ERR, "counter not initialized")
          ngx.exit(ngx.HTTP_INTERNAL_SERVER_ERROR)
          return
        end

        local counter_lock = ngx.ctx.counter_lock
        if not counter_lock then
          ngx.log(ngx.ERR, "counter lock not found")
          ngx.exit(ngx.HTTP_INTERNAL_SERVER_ERROR)
          return
        end

        local ok, err = counter_lock:add(0, 1)
        if not ok then
          ngx.log(ngx.ERR, "failed to acquire lock: ", err)
          ngx.exit(ngx.HTTP_INTERNAL_SERVER_ERROR)
          return
        end

        counter:increment(1)
        counter_lock:delete()
      }
    }

    # 定义counter.get方法，用于从共享内存中读取计数器的值
    # 这个方法没有使用锁，因为只做了读操作
    location /status {
      content_by_lua_block {
        local ngx = ngx
        local shared_dict = ngx.shared.counter_shm

        local counter = ngx.ctx.counter
        if not counter then
          ngx.log(ngx.ERR, "counter not initialized")
          ngx.exit(ngx.HTTP_INTERNAL_SERVER_ERROR)
          return
        end

        local value, err = counter:get()
        if not value then
          ngx.log(ngx.ERR, "could not get counter: ", err)
          ngx.exit(ngx.HTTP_INTERNAL_SERVER_ERROR)
          return
        end

        ngx.say(value)
      }
    }
  }
}

示例2：一致性哈希

本示例演示如何使用共享内存来实现一致性哈希算法。

一致性哈希算法是一种分布式存储中经常用到的算法，它可以将数据根据其key Hash到一个环上，同时也将所有的可用服务器Hash到同一个环上。当需要访问某个key时，算法会返回该key所在的服务器。

在Nginx中，可以使用共享内存实现一致性哈希算法，同时Nginx还提供了内置的一致性哈希算法模块，使用起来非常方便。

首先，我们需要在Nginx的配置文件中定义一个共享内存区域，例如：

http {
    ...

    # 定义共享内存key和大小
    # size单位是Byte
    # 用于存储一致性哈希相关的数据
    # 初始化值为0
    hash_shm_size 4m;
    hash_shm_key 42;
    hash_shm_init 0;

    ...
}

接下来，在Nginx的conf文件中编写一致性哈希的访问逻辑。例如，我们在location /hash下编写一致性哈希的访问逻辑：

location /hash {
    # 引入hash模块
    include hash.conf;

    # 计算一致性哈希值，输出对应的服务器地址
    return 200 "The key 'test-123' is located on server $(hash.get 'test-123')\n";
}

编写hash模块文件hash.conf，定义一致性哈希相关的逻辑：

# /path/to/nginx/conf.d/hash.conf
# 定义ngx_http_hash_module
http {
  ...

  # 定义ngx_hash_module需要使用的一些结构体和常量

  ...

  # 定义一个共享内存，用于存放一致性哈希相关的数据
  # 将共享内存区域映射到hash_zone全局变量
  hash_zone $hash_shm_key zone=hash_shm:$hash_shm_size;

  # 初始化ngx_hash_module
  init_by_lua_block {
    local ngx = ngx

    local shared_dict = ngx.shared.hash_shm

    local cjson = require "cjson"
    local hash_ring = require "resty.chash"

    local hash, err = hash_ring:new(shared_dict)
    if not hash then
      ngx.log(ngx.ERR, "failed to create hasshed ring: ", err)
      ngx.exit(ngx.HTTP_INTERNAL_SERVER_ERROR)
      return
    end

    ngx.ctx.hash = hash
  }

  # 定义hash.get方法，用于计算一致性哈希值
  location /hash {
    content_by_lua_block {
      local ngx = ngx
      local shared_dict = ngx.shared.hash_shm

      local hash = ngx.ctx.hash
      if not hash then
        ngx.log(ngx.ERR, "hash not initialized")
        ngx.exit(ngx.HTTP_INTERNAL_SERVER_ERROR)
        return
      end

      local key = ngx.var.arg_key or "default-key"
      local server = hash:find(key)
      ngx.say(server)
    }
  }
}

以上就是Nginx共享内存机制的详细攻略，希望对您有所帮助！

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