一、Varnish简介

Varnish是一款高性能的开源缓存代理服务器。Varnish分为Master(management)进程和Child(worker,也叫cache进程)进程。

Master 进程读入存储配置文件，调用合适的存储类型，然后创建/读入相应大小的缓存文件，接着 master 初始化管理该存储空间的结构体，然后 fork 并监控 child 进程。

Child 进程在主线程的初始化的过程中，将前面打开的存储文件整个 mmap 到内存中，此时创建并初始化空闲结构体，挂到存储管理结构体，以待分配。

分配缓存的过程:根据所读到object的大小，创建相应大小的缓存文件。为了读写方便，程序会把每个object的大小变为最接近其大小的内存页面倍数。然后从现有的空闲存储结构体中查找，找到最合适的大小的空闲存储块，分配给它。如果空闲块没有用完，就把多余的内存另外组成一个空闲存储块，挂到管理结构体上。如果缓存已满，就根据LRU机制，把最旧的object释放掉。

释放缓存的过程:有一个超时线程，检测缓存中所有object的生存期，如果超初设定的TTL(Time To Live)没有被访问，就删除之，并且释放相应的结构体及存储内存。注意释放时会检查该存储内存块前面或后面的空闲内存块，如果前面或后面的空闲内存和该释放内存是连续的，就将它们合并成更大一块内存。

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。

Child 进程分配若干线程进行工作，主要包括一些管理线程和很多worker线程，可分为：

Accept线程:接受请求,将请求挂在overflow队列上；

Work线程:有多个,负责从overflow队列上摘除请求,对请求进行处理,直到完成，然后处理下一个请求；

Epoll线程:一个请求处理称为一个session,在session周期内,处理完请求后,会交给Epoll处理，监听是否还有事件发生；

Expire线程:对于缓存的object,根据过期时间,组织成二叉堆,该线程周期检查该堆的根,处理过期的文件,对过期的数据进行删除或重取操作。

二、Varnish安装

# yum install epel-release  # rpm --nosignature -i https://repo.varnish-cache.org/redhat/varnish-4.1.el7.rpm   # yum install varnish

三、Varnish配置

①VCL介绍

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。

②VCL使用

主要有以下几点：

a. 块是由花括号分隔，语句以分号结束，使用‘ # ’符号可以添加注释。

b. VCL 使用指定运算符“=”、比较运算符“==”、逻辑运算符“!,&&,!!”等形式，还支持正则表达式和用“~”进行 ACL 匹配运算。

c. VCL 没有用户自己定义的变量，你可以在 backend、request 或 object 上设置变量值，采用 set 关键字进行设置。例如 set req.backend_hint = cluster1.backend();

d. 两个字符串的连接，他们之间没有任何运算符。例如 set resp.http.X-Cache = "HIT via" + " " + server.hostname;

e. \”字符在 VCL 里没有特别的含义，这点与其他语言略有不同。

f. VCL 可以使用 set 关键字设置任何 HTTP 头，可以使用 remove 或是 unset 关键字移除 HTTP 头。

g. VCL 有 if/else 的判断语句，但是没有循环语句。

③设置Varnish参数

# cat /etc/varnish/varnish.params |grep -v "#"  RELOAD_VCL=1              ##重新启动服务时是否重新读取VCL并重新编译  VARNISH_VCL_CONF=/etc/varnish/default.vcl       ##默认读取的VCL文件  VARNISH_LISTEN_PORT=80                    ##设置监听的端口(默认监听6081端口)  VARNISH_ADMIN_LISTEN_ADDRESS=127.0.0.1       ##管理接口监听的地址  VARNISH_ADMIN_LISTEN_PORT=6082               ##管理接口监听的端口  VARNISH_SECRET_FILE=/etc/varnish/secret          ##使用的密钥文件  VARNISH_STORAGE="malloc,256M"                ##存储文件的大小  VARNISH_USER=varnish                        ##varnish默认用户  VARNISH_GROUP=varnish                        ##varnish默认组

④定义VCL backend

# cp /etc/varnish/default.vcl /etc/varnish/default.vcl.bak  # cat /etc/varnish/default.vcl |grep -v "#"  vcl 4.0;                             ##指明varnish版本  backend web1 {                        ##创建后端主机      .host = "192.168.10.132";        ##注:可使用域名，须添加hosts      .port = "80";  }  # systemctl start varnish           ##启动服务  # varnishadm -S /etc/varnish/secret -T 127.0.0.1:6082    ##varnish命令操作  200          -----------------------------  Varnish Cache CLI 1.0  -----------------------------  Linux,3.10.0-229.el7.x86_64,x86_64,-junix,-smalloc,-smalloc,-hcritbit  varnish-4.1.0 revision 3041728  Type 'help' for command list.  Type 'quit' to close CLI session.  help  200          help [<command>]  ping [<timestamp>]  auth <response>  quit  banner  status  start  stop  vcl.load <configname> <filename> [auto|cold|warm]  vcl.inline <configname> <quoted_VCLstring> [auto|cold|warm]  vcl.use <configname>  vcl.state <configname> [auto|cold|warm]  vcl.discard <configname>  vcl.list  param.show [-l] [<param>]  param.set <param> <value>  panic.show  panic.clear [-z]  storage.list  vcl.show [-v] <configname>  backend.list [-p] [<backend_expression>]  backend.set_health <backend_expression> <state>  ban <field> <operator> <arg> [&& <field> <oper> <arg> ...]  ban.list

⑤定义 VCL 后端的集合 director

VCL 可以把多个 backends 聚合成一个组，这些组被叫做 director，这样可以增强性能和弹力，当组里一个 backend 挂掉后，可以选择另一个健康的 backend。VCL 有多种 director，不同的 director 采用不同的算法选择 backend，主要有以下几种：

a. The random director

Random director 会根据所设置的权值（weight）来选择 backend，.retries 参数表示尝试找到一个 backend 的最大次数，.weight 参数表示权值

b. The round-robin director

Round-robin director 在选择 backend 时，会采用循环的方式依次选择。

c.  The client director

Client director 根据 client.identity 来选择 backend，您可以设置 client.identity 的值为 session cookie 来标识 backend。

# vi /etc/varnish/default.vcl  vcl 4.0;                                      ##指明varnish版本  backend server1 {                              ##定义后端服务器1      .host = "192.168.10.132";              .port = "80";  }  backend server2 {                              ##定义后端服务器2      .host = "192.168.10.133";      .port = "80";  }  import directors;                            ##定义directors  sub vcl_init {                                      ##定义vcl_init子例程      new cluster1 = directors.round_robin();    ##创建一个轮叫调度的directors      cluster1.add_backend(server1);      cluster1.add_backend(server2);  }  sub vcl_recv {                       ##定义vcl_recv子例程      set req.backend_hint = cluster1.backend();        ##指定后端directors  }

⑥设置响应是否命中

sub vcl_deliver {                   ##定义子例程          if (obj.hits > 0) {                        set resp.http.X-Cache = "HIT via" + " " + server.ip;          } else {                  set resp.http.X-Cache = "MISS via" + " " + server.ip;          }             ##判断如果命中就在http响应首部设置X-Cache为HIT，否则                  就在http响应首部设置X-Cache为MISS。  }

⑦指定某些文件不能查缓存

sub vcl_recv {          if (req.url ~ "^/test.html$") {                  return(pass);          }            ##定义请求的文件中如果匹配test.html就pass，不查缓存  }

⑧进行健康检查

backend server1 {      .host = "192.168.10.132";      .probe = {          .url = "/";         ##指定哪个url需要varnish请求          .timeout = 1s;         ##指定超时等待时间          .interval = 5s;         ##指定检查时间间隔          .window = 5;            ##最多尝试5次          .threshold = 3;          ##至少有3次成功就宣告backend健康      }  }  backend server2 {      .host = "192.168.10.133";      .probe = {          .url = "/";          .timeout = 1s;          .interval = 5s;          .window = 5;          .threshold = 3;      }  }

⑨设定缓存时长

sub vcl_backend_response {      if (bereq.url ~ "\.(jpg|jpeg|gif|png)$") {          set beresp.ttl = 2h;      }                 ##如果url是以图片格式结尾的缓存2小时      if (bereq.url ~ "\.(html|css|js|jsp)$") {          set beresp.ttl = 30m;      }                  ##如果url是以html|css|js|jsp结尾的缓存30分钟  }

⑩优雅模式(Grace mode)

sub vcl_backend_response {    set beresp.grace = 2m;  }             ##指定保持缓存对象超出TTL值2分钟(就是该过期的缓存不让它过期)  sub vcl_hit {     if (obj.ttl >= 0s) {         // A pure unadultered hit, deliver it         return (deliver);   ##如果TTL值大于等于0秒，将已获取的请求内容直接                           ##发送给客户端     }     if (obj.ttl + obj.grace > 0s) {         // Object is in grace, deliver it         // Automatically triggers a background fetch         return (deliver);     }                  ##如果TTL值加上优雅模式设定值大于0秒，将已获取                          ##的请求内容直接发送给客户端     // fetch & deliver once we get the result     return (fetch);       ##否则从后端获取请求的内容  }

四、VCL相关

注:varnish4.0后版本所使用参数和以前版本有所改变，详见:

https://www.varnish-cache.org/docs/4.0/whats-new/index.html

https://www.varnish-cache.org/docs/4.1/whats-new/index.html

①VCL主要内置函数

a. vcl_recv 函数

用于接收和处理请求。当请求到达并成功接收后被调用，通过判断请求的数据来决定如何处理请求。例如如何响应、怎么响应、使用哪个后端服务器等。

此函数一般以如下关键字结束:

1). pass:表示进入 pass 模式，把请求控制权交给 vcl_pass 函数；

2). pipe:表示进入 pipe 模式，把请求控制权交给 vcl_pipe 函数；

3). lookup:表示进入 lookup 模式，把请求控制权交给 lookup 指令处理，在缓存中查找被请求的对象，并且根据查找的结果把控制权交给函数 vcl_hit 或函数 vcl_miss；

4). synth code [reason]:表示返回“code”给客户端，并放弃处理该请求。“code”是错误标识，例如 200 和 405 等。“reason”是错误提示信息。

b. vcl_pipe 函数

此函数在进入 pipe 模式时被调用，用于将请求直接传递至后端主机，在请求和返回的内容没有改变的情况下，将不变的内容返回给客户端，直到这个连接被关闭。

此函数一般以 如下关键字结束:

1). synth code [reason]

2).pipe 

c. vcl_pass 函数

此函数在进入 pass 模式时被调用，用于将请求直接传递至后端主机。后端主机在应答数据后将应答数据发送给客户端，但不进行任何缓存，在当前连接下每次都返回最新的内容。

此函数一般以如下关键字结束:

1).  synth code [reason]；

2).  pass；

3).  restart 重新启动流程，增加启动次数，如果重新启动次数高于 max_restarts 发出一个错误警告

d. vcl_hash函数

如果想把一个数据添加到 hash 上时，调用此函数。

此函数一般以 Hash 该关键字结束。

e. vcl_hit 函数

在执行 lookup 指令后，在缓存中找到请求的内容后将自动调用该函数。

此函数一般以如下关键字结束:

1).deliver：表示将找到的内容发送给客户端，并把控制权交给函数 vcl_deliver；

2).synth code [reason]；

3).pass；

4).restart 重新启动流程，增加启动次数，如果重新启动次数高于 max_restarts 发出一个错误警告

f. vcl_miss 函数

在执行 lookup 指令后，在缓存中没有找到请求的内容时自动调用该方法。此函数可用于判断是否需要从后端服务器获取内容。

此函数一般以如下关键字结束:

1).fetch：表示从后端获取请求的内容，并把控制权交给 vcl_backend_response 函数；

2).synth code [reason]；

3).pass。

g. vcl_backend_response 函数

在后端主机更新缓存并且获取内容后调用该方法，接着，通过判断获取的内容来决定是将内容放入缓存，还是直接返回给客户端。

此函数一般以如下关键字结束:

1).synth code [reason]

2).pass

3).deliver

4).esi

5).restart 

h.vcl_deliver函数

将在缓存中找到请求的内容发送给客户端前调用此方法。

此函数一般以如下关键字结束:

1).synth code [reason]

2).deliver

3).restart 

i.vcl_backend_error函数

出现错误时调用此函数。

此函数一般以如下关键字结束:

1).deliver

2).restart

②varnish处理HTTP请求的过程

Varnish 处理 HTTP 请求的过程如下:

1. Receive状态(vd_recv):请求处理的入口状态，根据VCL规则判断该请求应该pass(vd_pass)或是pipe(vd_pipe),还是进入lookup(本地查询)

2. Lookup状态:进入该状态后，会在hash表中查询数据，若找到，则进入hit状态(vcl_hit)，否则进入miss状态(vcl_miss)

3. Pass状态(vcl_pass):在此状态下，会直接进入后端请求，即进入fetch状态(vcl_backend_response)

4.Backend_response状态:由原来的vcl_fetch独立为vcl_backend_fetch和vcl_backend_response2个函数，在该状态下，对请求进行后端获取，发送请求，获得数据，并根据设置进行本地存储

5. Deliver状态(vcl_deliver):将获取到的数据发送给客户端，然后完成本次请求

内置函数(也叫子例程):

1.vcl_recv:用于接收和处理请求,当请求到达并成功接收后被调用,通过判断请求的数据

来决定如何处理请求；

2.vcl_pipe:此函数在进入pipe模式时被调用,用于将请求直接传递至后端主机,并将后端响应原样返回客户端；

3.vcl_pass:此函数在进入pass模式时被调用,用于将请求直接传递至后端主机,但后端主机的响应并不缓存直接返回客户端；

4.vcl_hit:在执行lookup指令后,在缓存中找到请求的内容后将自动调用该函数；

5.vcl_miss:在执行lookup 指令后,在缓存中没有找到请求的内容时 自动调用该方法，此函数可用于判断是否需要从后端服务器获取内容；

6.vcl_hash:在vcl_recv调用后为请求创建一个hash值时,调用此函数,此hash值将作为varnish中搜索缓存对象的key；

7.vcl_purge:pruge操作执行后调用此函数,可用于构建一个响应；

8.vcl_deliver:将在缓存中找到请求的内容发送给客户端前调用此方法；

9.vcl_backend_fetch:向后端主机发送请求前,调用此函数,可修改发往后端的请求；

10.vcl_backend_response:获得后端主机的响应后,可调用此函数；

11.vcl_backend_error:当从后端主机获取源文件失败时,调用此函数；

12.vcl_init:VCL加载时调用此函数,经常用于初始化varnish模块(VMODs);

13.vcl_fini:当所有请求都离开当前VCL,且当前VCL被弃用时,调用此函数,经常用于清理varnish模块.

详情: https://www.varnish-cache.org/docs/4.0/users-guide/vcl-built-in-subs.html

③varnish变量解释

VCL 内置的公共变量(变量也叫object)可以用在不同的 VCL 函数中:

req：The request object，请求到达时可用的变量

bereq：The backend request object，向后端主机请求时可用的变量

beresp：The backend response object，从后端主机获取内容时可用的变量

resp：The HTTP response object，对客户端响应时可用的变量

obj：存储在内存中时对象属性相关的可用的变量

a. 请求到达时可用公共变量

req.backend_hint: 指定对应的后端主机

server.ip: 表示服务器 IP

client.ip: 表示客户端 IP

req.method: 只是请求的类型，例如 GET、HEAD 等

req.url: 指定请求的地址

req.proto: 表示客户端发起请求的 HTTP 协议版本

req.http.header: 表示对应请求中的 HTTP 头部信息

req.restarts: 表示重启次数，默认最大值为4

b. 向后端主机请求时可用公共变量

beresp.requset: 指定请求类型，例如 GET、HEAD 等

beresp.url: 表示请求地址

beresp.proto: 表示客户端发起请求的 HTTP 协议版本

beresp.http.header: 表示对应请求中 HTTP 头部信息

beresp.ttl: 表示缓存的生存周期，cache 保留时间(单位秒)

c. 后端主机获取内容时可使用公共变量

obj.status: 返回内容的请求状态码，例如 200、302、504 等

obj.cacheable: 返回的内容是否可以缓存

obj.valid: 是否有效的 HTTP 请求

obj.response: 返回内容的请求状态信息

obj.proto: 返回内容的 HTTP 版本

obj.ttl: 返回内容的生存周期，也就是缓存时间(单位秒)

obj.lastuse: 返回上一次请求到现在的时间间隔(单位秒)

d.对客户端相应时可使用公共变量

resp.status: 返回给客户端的 HTTP 代码状态

resp.proto: 返回给客户端的 HTTP 协议版本

resp.http.header: 返回给客户端的 HTTP 头部消息

resp.response: 返回给客户端的 HTTP 头部状态