原文：Maximizing Python Performance with NGINX, Part I: Web Serving and Caching
译者：杰微刊兼职翻译张万程
介绍NGINX和Python如何配合使用
Python以易用，有趣而出名，它让软件开发变得简单，据说运行性能也高于其他脚本语言（PHP最新版本PHP 7的性能好像可以与Python一较高下）
每一个人都希望自己的网站或应用可以运行得更快。但是每一个网站在大流量和流量激增时都容易遇到性能问题，甚至当机，业务繁忙时，这种情况会更加糟糕。其实无论流量是稳定增长，还是陡峭增长，所有网站都面临性能和当机的困扰。
NGINX和NGINX插件的出现就是为了解决这个问题。他们通过三种不同的方式来改善网站性能：
web服务 – 最初开发NGINX是为了解决 C10K 问题 – 可以轻松支撑10,000或更多的并发连接。使用NGINX为你的Python应用提供web服务，可以让你的网站运行更快，即便在小流量的情况下也有效果。当你的用户成千上万时，确定无疑，它可以提供更高的性能，更少的崩溃，以及更少的当机时间。你也可以使用NGINX提供静态文件缓存或者微缓存服务，一个独立的NGINX反向代理也是很好的选择（见下一段）。
反向代理– 你可以在应用服务的前端用NGINX做反向代理。NGINX接收Web请求并分发到你的应用服务。这个“怪招”可以让你的网站运行得更快，减少当机，消费更少的服务资源，而且可以提高安全性。你也可以在反向代理服务器上缓存静态资源（非常高效），添加静态内容的微缓存，以减少应用自身的负载，等等。
为多个应用服务提供动态均衡 – 通过布署反向代理服务。通过多应用服务并行运行和NGINX或者NGINX插件来做流量负载均衡。通过这种布署，根据流量需要，增长稳定性和运行时间需要，你可以很轻松地在线扩展网站性能。如果你需要让给定用户的会话在同一个服务上，你只需要配置负载均衡以支持会话持久化。
不管是为你的Python应用提供网站服务，还是做反向代理服务，还是做负载均衡，或者三者都用，NGINX和NGINX插件都会给你带来优势。
这是本系列（由两部分组成）中的第一篇文章，将会介绍五个提升Python应用性能的技巧，包括如何使用NGINX或NGINX插件提供web服务，如何实现静态文件的缓存，如何为动态内容做微缓存。在第二部分，我们将介绍如果用NGINX或NGINX插件提供反向代理服务，以及如何为多个应用服务提供负载均衡。
技巧 1– 定位Python性能瓶颈
有两种截然不同的情况会让你的Python应用遇到性能问题– 第一，每天有海量用户；第二，高负载。大部分网站长都不需要担心性能问题，因为他们的负载很小，根据我们的拙见，他们应该努力降低响应时间。将响应时间控制在毫秒级是一个非常困难且不被关注的工作。但可以让我们的用户体验更好，业绩更优秀。
但是这篇博文和剩下的第二部分，将关注每个人都确实关注的场景：当网站繁忙时可能会出现的性能问题，如性能大幅下降和当机。还有黑客模拟大量用户攻击造成的流量激增，同时提高网站性能也是处理攻击的重要步骤。
像Apache HTTP Server这样的系统会为每个用户分配一定数量的内存，随着用户的不断增加，物理内存不堪重负。服务器开始使用磁盘的交换分区，性能直线下降，性能问题和当机接踵而至。这篇博文中所介绍的迁移到NGINX，有助于解决这一问题。
Python特别容易出现内存相关的性能问题，因为与其他脚本语言相比，Python通常是使用更多的内存来执行任务（所以执行速度快）。所以在相同条件下，与用其他语言写的应用相比，你的Python应用更容易在少量用户的情况下而“绊倒”。
优化你的应用对解决问题会有所帮助，但要解决流量相关的性能问题，这通常不是最好最快的方式。这篇博文及剩下的第二部分，将介绍一种最好并且最快的方式。在实施这些措施之后，再采取一切方法优化你的应用，或者使用微服务架构重写
技巧 2 – 选择单服务或者微服务布署
小网站在单个服务器上就可以运行得很好。大的网站需要多个服务器。但如果你处于中间地带–或者你的网站从一个小网站变成一个大网站– 你可以做一些有趣的选择。
如果你使用单机布署，大流量和浏览激增会给你带来很大的风险。你的扩展手段非常有限，无外乎优化你的应用，把web服务切换到NGINX,使用一个更大更快的服务器，或者使用内容分发网络（CDN）。所有这些可选项的实施都耗时耗钱，而且在实施过程中还有引入bug的风险。
另外一个很显然的风险是单机布署存在单点故障问题 – 很多问题可以导致你的站点挂掉，而且没有快速简单的解决方案。
如果你把服务切换成NGINX并且使用单机布署，你可以自由地选择使用开源的NGINX或者NGINX插件。NGINX包括企业级支持和一些扩展功能。像实时活动监测这样的扩展功能是支持单机布署的。如果做为反向代理，采用分布式布署，你可以使用其他NGINX插件，如负载均衡和会话持久化。
有很多事情都要考虑周详，除非你确定你的网站在未来很长时间内都是一个小网站，不需要关心当机问题，否则，你要明白，单机布署存在很多风险。分布式布署比较易于扩展 – 单点故障可以通过工程解决，性能可以按需调整，可以快速扩充服务器能力。
技巧 3 – 使用NGINX替换你的Web服务
在Web时代的早期，Apache就是web服务的同义词。但NGINX自2000年出现以来，迅速流行开来；现在已经是排名第一的web服务，被1,000, 10,000多个网站和世界上最繁忙的100,000多个网站使用。
NGINX最初是为了解决C10K问题而开发 – 在给定内存预算下支持10,000+并发。其他web服务需要为每个连接分配内存块，所以他们会耗尽物理内存，当数以千记的用户在同一时间访问一个网站，它会变慢甚至崩溃。NGINX处理器可以单独处理一个请求，也可以优雅地扩展，同时处理多个用户。（这可以很好地解决额外问题，后面会详述。）
一个高层NGINX架构图如下所示。
在上图，一个Python应用服务被布署在后端的应用服务块中，如图所示，它通过FastCGI被访问。NGINX不“知道”怎么运行Python,所以它需要一个网关连结需要的环境。FastCGI是一个被PHP，Pyhton和其他语言广泛使用的接口。
但是，连结Python和NGINX的流行方案是网络服务网关接口(WSGI)。WSGI工作在多线程和多进程环境下，所以他兼容本文所提到的所有布署选项。
如果你将web服务迁移到NGINX，这里有一些有用的软件：
Configuring gunicorn – “Green Unicorn”是一个流行的WSGI服务，配合NGINX使用。
Configuring uWSGI – 另一个流行的WSGI服务,配合NGINX使用. uWSGI包含NGINX指令支持。
Using uWSGI, NGINX, and Django – 一个流行的Python web框架。
下面的代码片断将向你展示如何配置NGINX和uWSGI – 这个案例中的工程使用Python框架Django。
http { ... upstream django { server 127.0.0.1:29000; }
server {
listen 80;
server_name myapp.example.com;
root /var/www/myapp/html;
location / {
index index.html;
}
location /static/ {
alias /var/django/projects/myapp/static/;
}
location /main {
include /etc/nginx/uwsgi_params;
uwsgi_pass django;
uwsgi_param Host $host;
uwsgi_param X-Real-IP $remote_addr;
uwsgi_param X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
uwsgi_param X-Forwarded-Proto $http_x_forwarded_proto;
}
}
}
技巧 4 – 实现静态文件缓存
缓存静态内容包括：为不经常变更的文件保存副本 – 不经常是指数小时或者永远 – 副本保存在其他位置而不是应用服务中。典型的静态内容是网页中经常用到的JPEG图片。
缓存静态文件是提升应用性能的常用手段，经常被用到：
1、用户浏览器
2、互联网提供商 – 从公司网络到互联网提供商(ISP)
3、web服务, 也就是本文所讲的
在web服务端实现静态文件缓存有两个好处：
为用户提供快速服务 – NGINX 专门为静态文件缓存做过优化，对静态内容请求的处理比应用服务要快。
减少应用服务负载– 应用服务不需要处理已经缓存的静态文件，已经由web服务接管。
缓存静态文件在单服务器上也可以很好的实现，但底层硬件资源仍然是由web服务和应用服务所共享。如果web服务要处理频率的静态文件访问 – 甚至是海量 – 应用服务可以使用的硬件资源就会变少，一些功能可能就会变慢。
如果要支持浏览器缓存，需要正确设置静态文件的头部信息。如HTTPCache Control（特别是它的max age设置），Expires，和Entity标记。如果想深入了解，参见NGINX Plus的管理员指南：使用NGINX为uWSGI和Django提供应用网关
下面的NGINX配置代码用来缓存静态文件，包括JPEG文件，GIF文件，PNG文件，MP4文件，Powerpoint文件，和一些其他文件，请把www.example.com替换成你自己的网址。
server { # substitute your web server's URL for "www.example.com" server_name www.example.com; root /var/www/example.com/htdocs; index index.php; access_log /var/log/nginx/example.com.access.log; error_log /var/log/nginx/example.com.error.log;
location / {
try_files $uri $uri/ /index.php?$args;
}
location ~ \.php$ {
try_files $uri =404;
include fastcgi_params;
# substitute the socket, or address and port, of your Python server
fastcgi_pass unix:/var/run/php5-fpm.sock;
#fastcgi_pass 127.0.0.1:9000;
}
location ~* .(ogg|ogv|svg|svgz|eot|otf|woff|mp4|ttf|css|rss|atom|js|jpg
|jpeg|gif|png|ico|zip|tgz|gz|rar|bz2|doc|xls|exe|ppt|tar|mid
|midi|wav|bmp|rtf)$ {
expires max;
log_not_found off;
access_log off;
}
}
技巧 5 – 实现微服务
微缓存可以很明显的大幅提升Python， PHP和一些其他语言开发的应用服务性能，根据是否适合缓存，可以把网页分成三类：
静态文件 – 这类文件适合缓存，见技巧4所述。
动态，非个性化页面 – 因为它们需要刷新，这些文件通常不适合做缓存。例如未登录前的电商用户所看到的页面（见下一点） – 可用商品和推荐相似商品经常要发生改变，所以必须生成新页面。但是，如果有另外一个用户，在10毫秒之后发送同样请求，将前一用户看到的网页缓存并发送给后一用户就变得合情合理。
动态，个性化页面 –这些不适合缓存，因为它们是针对具体用户的，同一个用户不希望两次看到同一个个性化页面。例如一个电商用户登录后的页面不应该展示给另外一个用户。
微缓存适用于上面提到的第二类页面–动态，非个性化页面。“微”是指很短的时间。如果你的网站在一秒内要多次生成同一个页面，如果你把这个页面只缓存一秒，并不影响该页面的刷新。但这个短暂的缓存可以极大的降低应用服务的负载，特别是流量较大时。将原来在一个缓存区间内，同一内容生成10，或者20，甚至100次，调整为只生成一次并缓存，为其他用户提供缓存内容。
这个效果是很神奇的。一个服务如果一秒钟要处理大量请求会变得很慢，但如果只处理一个请求，就会变得很快。（包括任何个性化页面）。我们自己的Owen Garrett有一篇博客对微服务的优势做了详情介绍，里面还有配置代码。主要要修改的地方是把代理缓存过期时间设为一秒，只需要几行配置代码就可以搞定。
proxy_cache_path /tmp/cache keys_zone=cache:10m levels=1:2 inactive=600s max_size=100m;
server {
proxy_cache cache;
proxy_cache_valid 200 1s;
...
}
更多配置样例，参见Tyler Hicks Wright关于Python和uWSGI如何使用NGINX的博客。
总结
在第一部分，我们回顾了一下在单机环境下提高Python应用性能的解决方案，还有缓存的使用，在单机情况下缓存可以应用于反向代理服务器或者独立缓存服务（缓存比独立服务性能更好）。在下一部分，我们将会介绍分布式环境下的性能提升方案。
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