6.1 Varnish缓存

分布式缓存

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• 缓存概念

缓存是分布式系统中的重要组件，主要解决高并发，大数据场景下，热点数据访问的性能问题。提供高性能的数据快速访问。

WebCache web 缓存,是一种缓存技术,用于临时存储(缓存)的网页文件,如 HTML 页面和图像等静态资源(此处不绝对,也可以缓存动态页面,但是存储到本地后也为静态文件),减少带宽以及后端服务器的压力,通常一个 WebCache 也是一个反向代理软件,既可以通过缓存响应用户的请求,当本地没有缓存时,可以代理用户请求至后端主机。

缓存的原理

1. 将数据写入/读取速度更快的存储（设备）
2. 将数据缓存到离应用最近的位置
3. 将数据缓存到离用户最近的位置

缓存的类型

CDN缓存
CDN主要解决将数据缓存到离用户最近的位置，一般缓存静态资源文件（页面，脚本，图片，视频，文件等）。国内网络异常复杂，跨运营商的网络访问会很慢。为了解决跨运营商或各地用户访问问题，可以在重要的城市，部署CDN应用。使用户就近获取所需内容，降低网络拥塞，提高用户访问响应速度和命中率。

反向代理缓存
反向代理是指在网站服务器机房部署代理服务器，实现负载均衡，数据缓存，安全控制等功能。

分布式Cache
分布式缓存，主要指缓存用户经常访问数据的缓存，数据源为数据库。一般起到热点数据访问和减轻数据库压力的作用。

本地应用缓存
本地缓存是指应用内部的缓存，标准的分布式系统，一般有多级缓存构成。本地缓存是离应用最近的缓存，一般可以将数据缓存到硬盘或内存。

• 代理缓存

与 Redis 或者 Memcached 不同，代理缓存通常运行在代理服务器上，而前者则旁挂在后端服务器外侧，为后端服务器提供数据缓存。

缓存有效性验证机制：

    如果原始内容未发生改变,则仅响应首部(不附带body部分),响应码304(Not Modified)
    如果原始内容发生改变,则正常响应,响应码200
    如果原始内容消失,则响应404,此时缓存中的cache object应被删除

代理缓存HTTP报文

Cache-Control：针对上述的“Expires时间是相对服务器而言，无法保证和客户端时间统一”的问题，http1.1新增了 Cache-Control 来定义缓存过期时间。注意：若报文中同时出现了 Expires 和 Cache-Control，则以 Cache-Control 为准。

    语法："Cache-Control" ":" cache-directive

当该字段值为no-cache的时候，会知会客户端不要对该资源读缓存，即每次都得向服务器发一次请求才行。Cache-Control也是一个通用首部字段，这意味着它能分别在请求报文和响应报文中使用。
也就是说优先级从高到低分别是 Pragma -> Cache-Control -> Expires 。

Pragma：设置页面是否缓存，为Pragma则缓存，no-cache则不缓存

If-None-Match：当资源过期时（使用Cache-Control标识的max-age），发现资源具有Etage声明，则再次向web服务器请求时带上头If-None-Match（Etag的值）。web服务器收到请求后发现有头If-None-Match 则与被请求资源的相应校验串进行比对，决定返回200或304。

If-Modified-Since：当资源过期时（使用Cache-Control标识的max-age），发现资源具有Last-Modified声明，则再次向web服务器请求时带上头 If-Modified-Since，表示请求时间。web服务器收到请求后发现有头 If-Modified-Since 则与被请求资源的最后修改时间进行比对。若最后修改时间较新，说明资源又被改动过，则响应整片资源内容（写在响应消息包体内），HTTP 200；若最后修改时间较旧，说明资源无新修改，则响应HTTP 304 (无需包体，节省浏览)，告知浏览器继续使用所保存的cache。

Etag：web服务器响应请求时，告诉浏览器当前资源在服务器的唯一标识（生成规则由服务器觉得）。Apache中，ETag的值，默认是对文件的索引节（INode），大小（Size）和最后修改时间（MTime）进行Hash后得到的。

Last-Modified：标示这个响应资源的最后修改时间。web服务器在响应请求时，告诉浏览器资源的最后修改时间。

Expires：有了Pragma来禁用缓存，自然也需要有个东西来启用缓存和定义缓存时间，对 http1.0 而言，Expires 就是做这件事的首部字段。 Expires的值对应一个 GMT（格林尼治时间），如果还没过该时间点则不发请求。

Varnish

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• Varnish构架

Management

Management进程主要实现应用新的配置、编译VCL、监控varnish、初始化varnish以及提供一个命令行接口等。 Management进程会每隔几秒钟探测一下Child进程以判断其是否正常运行，如果在指定的时长内未得到Child进程的回 应，Management将会重启此Child进程
varnishadm 命令行接口，目前 vagent 2 为收费接口，而 telnet 是纯文本传输，所以只能使用varnishadm.Varnish 服务运行时监听在两个套接字上，一个监听前端发送来的请求(tcp:6081)，另一个监听管理接口的管理命令(tcp:6082)

Child/Cache Process

Acceptor：接收新的连接请求
Worker：用于处理并响应用户请求
Expiry：从缓存中清理过期cache object

Shared Memory Log

shared memory log,共享内容日志方式存储,一般其大小为90MB,分为两部分：前一部分为计数器、后一部分为客户请求相关的数据
可以使用 varnishlog 将日志文件从内存提取到磁盘当中保存

VCL(Varnish Configuration Language)

VCL 是 varnish 配置缓存策略的工具，它是一种基于“域”(domain specific)的简单编程语言，它支持有限的算术运算和逻辑运算操作、允许使用正则表达式进行字符串匹配、允许用户使用set自定义变量、支持if判 断语句，也有内置的函数和变量等。使用VCL编写的缓存策略通常保存至.vcl文件中，其需要编译成二进制的格式后才能由varnish调用。事实上，整 个缓存策略就是由几个特定的子例程如vcl_recv、vcl_fetch等组成，它们分别在不同的位置(或时间)执行，如果没有事先为某个位置自定义子 例程，varnish将会执行默认的定义。

VCL策略在启用前，会由management进程将其转换为C代码，而后再由gcc编译器将C代码编译成二进制程序。编译完成后，management负责将其连接至varnish实例，即child进程。正是由于编译工作在child进程之外完成，它避免了装载错误格式 VCL 的风险。因此，varnish修改配置的开销非常小，其可以同时保有几份尚在引用的旧版本配置，也能够让新的配置即刻生效。编译后的旧版本配置通常在 varnish重启时才会被丢弃，如果需要手动清理，则可以使用 varnishadm 的 vcl.discard 命令完成。

varnish缓存功能有如下优点：

1. 是基于内存缓存，重启后数据将消失；
2. 利用虚拟内存方式，IO性能好。
3. 支持设置0~60秒内的精确缓存时间。
4. VCL配置管理比较灵活
5. 32位机器上缓存文件大小最大为2G
6. 具有强大的管理功能，例如top、stat、admin、list等。
7. 状态机设计巧妙，结构清晰
8. 利用二叉堆管理缓存文件，达到积极删除目的

• Varnish工作原理

上图是 Varnish 官方站点提供的 varnish 工作流程图。大致总结一下可以理解为以下四种常见情况

还有两种引擎图中没有 vcl_init 与 vcl_finish 分别负责
    在处理任何请求之前要执行的vcl代码：主要用于初始化VMODs
    所有的请求都已经结束，在vcl配置被丢弃时调用；主要用于清理VMODs

• varnish命令

varnishd

程序选项：
    -a address[:port][,address[:port][...]，默认为6081端口； 
    -T address[:port]，默认为6082端口；
    -s [name=]type[,options]，定义缓存存储机制；
    -u user
    -g group
    -f config：VCL配置文件；
    -F：运行于前台

varnishadm

    语法：varnishadm -S 秘钥文件 -T IP地址:端口 [-t 超时时长] [-n 缓存名称]

配置文件相关：
    vcl.list  列出vcl配置列表
    vcl.load  装载，加载并编译
    vcl.use  激活
    vcl.discard  删除
    vcl.show [-v]   查看指定的配置文件的详细信息

运行时参数：
    param.show -l：显示列表；
    param.show
    param.set

缓存存储：
    storage.list

后端服务器：
    backend.list 

Varnish运行时参数

在线程池内部，其每一个请求由一个线程来处理； 其worker线程的最大数决定了varnish的并发响应能力

thread_pools：线程数，最好小于或等于CPU核心数量； 
thread_pool_max： 每线程池的最大线程数；
thread_pool_min：额外意义为“最大空闲线程数”；

设置方式：

    vcl.param 
    param.set

永久有效的方法：

保存在 varnish.params 中
    语法：DEAMON_OPTS="-p PARAM1=VALUE -p PARAM2=VALUE"

• Varnish日志

varnishstat

varnishstat 工具用于显示 Varnish 缓存的状态信息

选项：

    -1  一次显示所有状态信息
    -f  查看指定字段名称列表

[root@CentOS74 ~]# varnishstat -1 -f MAIN.cache_hit -f MAIN.cache_miss
MAIN.cache_hit              52         0.01 Cache hits
MAIN.cache_miss             75         0.01 Cache misses

varnishtop

varnishtop 工具用于显示 Varnish 的缓存使用排名

选项：

    -1   一次显示所有状态信息
    -i taglist  可以同时使用多个-i选项，也可以一个选项跟上多个标签；
    -I <[taglist:]regex>  对指定的标签的值基于regex进行过滤； 
    -x taglist  排除列表
    -X  <[taglist:]regex>  对指定的标签的值基于regex进行过滤，符合条件的予以排除；

varnishlog

varnishlog 工具用于显示 Varnish 的日志信息

varnishncsa

varnishncsa 工具用于显示 combined 格式的 Varnish 的日志信息

• 日志的持久化

varnishlog 和 varnishncsa 都能够以守护进程的方式运行在后台

[root@CentOS74 ~]# cat /usr/lib/systemd/system/varnishncsa.service /usr/lib/systemd/system/varnishlog.service
[Unit]
Description=Varnish Cache HTTP accelerator NCSA logging daemon
After=varnish.service

[Service]
RuntimeDirectory=varnishncsa
Type=forking
PIDFile=/run/varnishncsa/varnishncsa.pid
User=varnish
Group=varnish
ExecStart=/usr/bin/varnishncsa -a -w /var/log/varnish/varnishncsa.log -D -P /run/varnishncsa/varnishncsa.pid  #可以修改日志保存的路径
ExecReload=/bin/kill -HUP $MAINPID

[Install]
WantedBy=multi-user.target
[Unit]
Description=Varnish Cache HTTP accelerator logging daemon
After=varnish.service

[Service]
RuntimeDirectory=varnishlog
Type=forking
PIDFile=/run/varnishlog/varnishlog.pid
User=varnish
Group=varnish
ExecStart=/usr/bin/varnishlog -a -w /var/log/varnish/varnish.log -D -P /run/varnishlog/varnishlog.pid   #可以定义日志保存的路径
ExecReload=/bin/kill -HUP $MAINPID

[Install]
WantedBy=multi-user.target