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第6課：Nginx 快取

Nginx 快取課程 — 瀏覽器快取（Expires 和 Cache-Control 標頭）、 代理快取、PHP 的 FastCGI 快取、快取鍵與快取區。 快取清除、繞過策略和最佳化技術指南。 含改善效能和降低負載的實際應用範例。

🔒 DevSecOps — 第6課 第6課：Nginx 快取 Nginx 從基礎到進階 第2部分：反向代理與負載均衡 xdev.asia

標籤

#Nginx #Caching #ProxyCache #FastCGI #BrowserCache #CacheControl #Expires #Performance #Optimization #CDN #CachePurging #CacheBypass #WebPerformance #StaticContent #DynamicContent #Tutorial #Production #BestPractices #DevOps #Infrastructure

1. 使用 Expires 與 Cache-Control 標頭的瀏覽器快取

瀏覽器快取將檔案儲存在客戶端瀏覽器，減少對伺服器的請求次數並加快載入速度。

1.1. Expires 標頭

Expires 標頭指定快取過期的具體時間點。

基本語法：

location ~* \.(jpg|jpeg|png|gif|ico)$ {
    expires 30d;  # 快取 30 天
}

Expires 值範例：

server {
    listen 80;
    server_name example.com;
    root /var/www/html;

# 圖片 - 長期快取
location ~* \.(jpg|jpeg|png|gif|ico|svg|webp)$ {
    expires 1y;  # 1 年
    add_header Cache-Control "public, immutable";
}

# CSS 和 JavaScript - 中期快取
location ~* \.(css|js)$ {
    expires 1M;  # 1 個月
    add_header Cache-Control "public";
}

# HTML - 短期快取或不快取
location ~* \.html$ {
    expires 1h;  # 1 小時
    add_header Cache-Control "public, must-revalidate";
}

# API 回應 - 不快取
location /api/ {
    expires -1;  # 不快取
    add_header Cache-Control "no-cache, no-store, must-revalidate";
}



}

時間單位：

expires 1s;    # 1 秒
expires 5m;    # 5 分鐘
expires 2h;    # 2 小時
expires 7d;    # 7 天
expires 3M;    # 3 個月（30 天）
expires 1y;    # 1 年


expires -1;    # 不快取（Cache-Control: no-cache）
expires epoch; # Expires: Thu, 01 Jan 1970 00:00:01 GMT
expires max;   # Expires: Thu, 31 Dec 2037 23:55:55 GMT
expires off;   # 不設定 Expires 標頭

1.2. Cache-Control 標頭

Cache-Control 是 Expires 的現代替代方案，更靈活。

Cache-Control 指令：

# public: 可被瀏覽器和中間快取快取
add_header Cache-Control "public";


private: 僅瀏覽器快取，代理不快取


add_header Cache-Control "private";


no-cache: 使用快取前必須重新驗證


add_header Cache-Control "no-cache";


no-store: 不儲存任何快取


add_header Cache-Control "no-store";


max-age: 快取期間（秒）


add_header Cache-Control "public, max-age=31536000";


s-maxage: 共享快取（CDN、代理）的 max-age


add_header Cache-Control "public, max-age=3600, s-maxage=86400";


must-revalidate: 過期後必須重新驗證


add_header Cache-Control "public, max-age=3600, must-revalidate";


immutable: 內容永不改變


add_header Cache-Control "public, max-age=31536000, immutable";


no-transform: 不允許內容轉換


add_header Cache-Control "public, no-transform";

組合指令：

server {
listen 80;
server_name example.com;


# 有版本控制的靜態資源 - 不可變
location ~* /static/.*\.(css|js)$ {
    expires 1y;
    add_header Cache-Control "public, max-age=31536000, immutable";
}

# 圖片 - 公開，長期快取
location ~* \.(jpg|png|gif|svg)$ {
    expires 6M;
    add_header Cache-Control "public, max-age=15552000";
}

# HTML - 帶重新驗證的短期快取
location ~* \.html$ {
    expires 10m;
    add_header Cache-Control "public, max-age=600, must-revalidate";
}

# 使用者特定內容 - 私有
location /dashboard/ {
    add_header Cache-Control "private, max-age=300";
}

# 敏感資料 - 不快取
location /account/ {
    add_header Cache-Control "private, no-cache, no-store, must-revalidate";
    add_header Pragma "no-cache";
    add_header Expires "0";
}



}

1.3. 條件式快取

map $sent_http_content_type $expires {
default                    off;
text/html                  1h;
text/css                   1M;
application/javascript     1M;
~image/                    1y;
application/pdf            7d;
~font/                     1y;
}


server {
listen 80;
server_name example.com;


expires $expires;

# 特定路徑覆寫
location /news/ {
    expires 5m;
    add_header Cache-Control "public, max-age=300";
}



}

1.4. ETag 與 Last-Modified

server {
listen 80;
server_name example.com;


# 啟用 ETag
etag on;

# 啟用 Last-Modified 標頭
if_modified_since before;

location / {
    root /var/www/html;
    # 瀏覽器將發送 If-None-Match（ETag）或 If-Modified-Since
    # 若檔案未更改，Nginx 返回 304 Not Modified
}



}

2. 代理快取基礎

代理快取儲存後端伺服器的回應，減少負載和回應時間。

2.1. 代理快取區設定

# 定義快取路徑和設定（在 http 上下文中）
http {
proxy_cache_path /var/cache/nginx/proxy
levels=1:2
keys_zone=my_cache:10m
max_size=1g
inactive=60m
use_temp_path=off;


server {
    listen 80;
    server_name example.com;
    
    location / {
        proxy_pass http://backend;
        
        # 啟用快取
        proxy_cache my_cache;
        
        # 快取有效期間
        proxy_cache_valid 200 302 10m;
        proxy_cache_valid 404 1m;
        proxy_cache_valid any 5m;
        
        # 新增快取狀態標頭
        add_header X-Cache-Status $upstream_cache_status;
    }
}



}

參數說明：

proxy_cache_path /var/cache/nginx/proxy    # 快取儲存路徑
levels=1:2                              # 目錄結構（最佳化 I/O）
keys_zone=my_cache:10m                  # 區域名稱與共享記憶體大小
max_size=1g                             # 磁碟上的最大快取大小
inactive=60m                            # 60 分鐘未使用後刪除快取
use_temp_path=off;                      # 直接寫入快取路徑

2.2. 快取狀態值

$upstream_cache_status 可能的值：


    

  • MISS       : 快取中無此請求，從後端取得
    • 

  • HIT        : 從快取提供請求
    • 

  • EXPIRED    : 快取條目已過期，從後端取得
    • 

  • STALE      : 提供過期內容（若已設定）
    • 

  • UPDATING   : 快取正從後端更新中
    • 

  • REVALIDATED: 快取已與後端重新驗證（304）
    • 

  • BYPASS     : 快取已繞過（依設定）

2.3. 快取鍵

快取鍵決定快取項目的唯一性。

預設快取鍵：

proxy_cache_key $scheme$proxy_host$request_uri;


範例：


http://example.com/page?id=1


鍵值：httpexample.com/page?id=1

自訂快取鍵：

location / {
proxy_pass http://backend;
proxy_cache my_cache;


# 包含請求方法
proxy_cache_key "$scheme$request_method$host$request_uri";

# 包含特定標頭
# proxy_cache_key "$scheme$host$request_uri$http_accept_language";

# 包含 Cookie
# proxy_cache_key "$scheme$host$request_uri$cookie_session";



}

2.4. 快取方法與條件

server {
listen 80;


location / {
    proxy_pass http://backend;
    proxy_cache my_cache;
    
    # 僅快取 GET 和 HEAD 方法
    proxy_cache_methods GET HEAD;
    
    # 依狀態碼設定快取有效期間
    proxy_cache_valid 200 301 302 10m;
    proxy_cache_valid 404 1m;
    proxy_cache_valid any 5m;
    
    # 快取前的最少請求次數
    proxy_cache_min_uses 3;
    
    # 後端錯誤時提供過期快取
    proxy_cache_use_stale error timeout updating http_500 http_502 http_503 http_504;
    
    # 防止快取雪崩的鎖定機制
    proxy_cache_lock on;
    proxy_cache_lock_timeout 5s;
    proxy_cache_lock_age 5s;
}



}

2.5. 完整代理快取範例

http {
# 定義多個快取區
proxy_cache_path /var/cache/nginx/static
levels=1:2
keys_zone=static_cache:10m
max_size=500m
inactive=60m
use_temp_path=off;


proxy_cache_path /var/cache/nginx/api
                 levels=1:2
                 keys_zone=api_cache:10m
                 max_size=200m
                 inactive=10m
                 use_temp_path=off;

upstream backend {
    server backend1.example.com:8080;
    server backend2.example.com:8080;
}

server {
    listen 80;
    server_name example.com;
    
    # 靜態內容快取
    location ~* \.(jpg|jpeg|png|gif|ico|css|js)$ {
        proxy_pass http://backend;
        proxy_cache static_cache;
        
        proxy_cache_valid 200 30d;
        proxy_cache_valid 404 1h;
        
        proxy_cache_use_stale error timeout updating http_500 http_502 http_503 http_504;
        proxy_cache_lock on;
        
        expires 30d;
        add_header Cache-Control "public, immutable";
        add_header X-Cache-Status $upstream_cache_status;
    }
    
    # API 快取
    location /api/ {
        proxy_pass http://backend;
        proxy_cache api_cache;
        
        proxy_cache_valid 200 5m;
        proxy_cache_valid 404 1m;
        
        proxy_cache_key "$scheme$request_method$host$request_uri$http_authorization";
        proxy_cache_methods GET HEAD;
        proxy_cache_min_uses 2;
        
        proxy_cache_use_stale error timeout updating;
        proxy_cache_lock on;
        
        add_header X-Cache-Status $upstream_cache_status;
    }
    
    # 使用者特定內容不快取
    location /account/ {
        proxy_pass http://backend;
        proxy_cache off;
        proxy_no_cache 1;
        proxy_cache_bypass 1;
    }
}



}

3. FastCGI 快取

FastCGI 快取用於 PHP 應用程式等動態內容。

3.1. FastCGI 快取設定

http {
# 定義 FastCGI 快取區
fastcgi_cache_path /var/cache/nginx/fastcgi
levels=1:2
keys_zone=php_cache:10m
max_size=500m
inactive=60m
use_temp_path=off;


# 快取鍵
fastcgi_cache_key "$scheme$request_method$host$request_uri";

server {
    listen 80;
    server_name example.com;
    root /var/www/html;
    index index.php index.html;
    
    location ~ \.php$ {
        fastcgi_pass unix:/var/run/php/php8.1-fpm.sock;
        fastcgi_index index.php;
        include fastcgi_params;
        fastcgi_param SCRIPT_FILENAME $document_root$fastcgi_script_name;
        
        # 啟用 FastCGI 快取
        fastcgi_cache php_cache;
        
        # 快取有效期間
        fastcgi_cache_valid 200 60m;
        fastcgi_cache_valid 404 10m;
        
        # 提供過期快取的條件
        fastcgi_cache_use_stale error timeout updating invalid_header http_500;
        
        # 快取鎖定
        fastcgi_cache_lock on;
        fastcgi_cache_lock_timeout 5s;
        
        # 快取前的最少使用次數
        fastcgi_cache_min_uses 2;
        
        # 新增快取狀態標頭
        add_header X-FastCGI-Cache $upstream_cache_status;
    }
}



}

3.2. WordPress 與 FastCGI 快取

http {
fastcgi_cache_path /var/cache/nginx/wordpress
levels=1:2
keys_zone=wordpress:100m
max_size=1g
inactive=60m
use_temp_path=off;


fastcgi_cache_key "$scheme$request_method$host$request_uri";

server {
    listen 80;
    server_name blog.example.com;
    root /var/www/wordpress;
    index index.php;
    
    # 設定快取繞過條件
    set $skip_cache 0;
    
    # POST 請求和含查詢字串的 URL
    if ($request_method = POST) {
        set $skip_cache 1;
    }
    
    if ($query_string != "") {
        set $skip_cache 1;
    }
    
    # 不快取包含以下路徑的 URI
    if ($request_uri ~* "/wp-admin/|/xmlrpc.php|wp-.*.php|/feed/|index.php|sitemap(_index)?.xml") {
        set $skip_cache 1;
    }
    
    # 不快取已登入使用者或最近留言者
    if ($http_cookie ~* "comment_author|wordpress_[a-f0-9]+|wp-postpass|wordpress_logged_in") {
        set $skip_cache 1;
    }
    
    location / {
        try_files $uri $uri/ /index.php?$args;
    }
    
    location ~ \.php$ {
        try_files $uri =404;
        fastcgi_split_path_info ^(.+\.php)(/.+)$;
        fastcgi_pass unix:/var/run/php/php8.1-fpm.sock;
        fastcgi_index index.php;
        include fastcgi_params;
        fastcgi_param SCRIPT_FILENAME $document_root$fastcgi_script_name;
        fastcgi_param PATH_INFO $fastcgi_path_info;
        
        fastcgi_cache wordpress;
        fastcgi_cache_valid 200 60m;
        fastcgi_cache_valid 404 10m;
        
        fastcgi_cache_bypass $skip_cache;
        fastcgi_no_cache $skip_cache;
        
        fastcgi_cache_use_stale error timeout updating invalid_header http_500 http_503;
        fastcgi_cache_lock on;
        
        add_header X-FastCGI-Cache $upstream_cache_status;
        add_header Cache-Control "public, max-age=3600";
    }
    
    # 靜態檔案快取
    location ~* \.(jpg|jpeg|png|gif|ico|css|js|svg|woff|woff2)$ {
        expires 30d;
        add_header Cache-Control "public, immutable";
        access_log off;
    }
}



}

4. 快取鍵與快取區

4.1. 快取區設定

http {
# 靜態內容快取 - 大容量，長期
proxy_cache_path /var/cache/nginx/static
levels=1:2
keys_zone=static:100m
max_size=5g
inactive=7d
use_temp_path=off;


# API 快取 - 小容量，短期
proxy_cache_path /var/cache/nginx/api
                 levels=1:2
                 keys_zone=api:50m
                 max_size=1g
                 inactive=1h
                 use_temp_path=off;

# 使用者特定快取
proxy_cache_path /var/cache/nginx/user
                 levels=1:2
                 keys_zone=user:50m
                 max_size=2g
                 inactive=30m
                 use_temp_path=off;



}

區域大小計算：

keys_zone 大小儲存快取元資料：


    

  • 1MB ≈ 8,000 個鍵值
    • 

  • 10MB ≈ 80,000 個鍵值
    • 

  • 100MB ≈ 800,000 個鍵值
    • 



max_size 儲存實際內容：


    

  • 依可用磁碟空間設定
    • 

  • 監控 /var/cache/nginx 的磁碟使用量

4.2. 進階快取鍵

依裝置類型快取：

map $http_user_agent $device {
default desktop;
~mobile mobile;
~tablet tablet;
}


server {
location / {
proxy_pass http://backend;
proxy_cache my_cache;


    # 不同裝置使用不同快取
    proxy_cache_key "$scheme$host$request_uri$device";
    
    add_header X-Device $device;
    add_header X-Cache-Status $upstream_cache_status;
}



}

依語言快取：

map $http_accept_language $lang {
default en;
~^vi vi;
~^ja ja;
~*^zh zh;
}


server {
location / {
proxy_pass http://backend;
proxy_cache my_cache;


    # 不同語言使用不同快取
    proxy_cache_key "$scheme$host$request_uri$lang";
    
    add_header Content-Language $lang;
}



}

複合快取鍵：

map $http_cookie $user_segment {
default "guest";
~premium=1 "premium";
~vip=1 "vip";
}


server {
location /api/ {
proxy_pass http://backend;
proxy_cache api_cache;


    # 結合多個因素的快取鍵
    proxy_cache_key "$scheme$host$request_uri$user_segment$device$lang";
    
    add_header X-Cache-Key-Components "segment:$user_segment|device:$device|lang:$lang";
}



}

4.3. 快取階層

http {
# L1 快取 - 記憶體（小容量，高速）
proxy_cache_path /dev/shm/nginx
levels=1
keys_zone=l1_cache:10m
max_size=100m
inactive=5m
use_temp_path=off;


# L2 快取 - SSD（中容量，高速）
proxy_cache_path /var/cache/nginx/l2
                 levels=1:2
                 keys_zone=l2_cache:50m
                 max_size=5g
                 inactive=1h
                 use_temp_path=off;

# L3 快取 - HDD（大容量，較慢）
proxy_cache_path /mnt/cache/nginx/l3
                 levels=1:2
                 keys_zone=l3_cache:100m
                 max_size=50g
                 inactive=7d
                 use_temp_path=off;

server {
    location /api/hot/ {
        proxy_pass http://backend;
        proxy_cache l1_cache;
        proxy_cache_valid 200 5m;
    }
    
    location /api/warm/ {
        proxy_pass http://backend;
        proxy_cache l2_cache;
        proxy_cache_valid 200 1h;
    }
    
    location /api/cold/ {
        proxy_pass http://backend;
        proxy_cache l3_cache;
        proxy_cache_valid 200 1d;
    }
}



}

5. 快取清除與繞過

5.1. 快取繞過

server {
listen 80;


location / {
    proxy_pass http://backend;
    proxy_cache my_cache;
    
    # 使用特殊標頭繞過快取
    proxy_cache_bypass $http_x_no_cache;
    
    # 或使用 Cookie 繞過
    proxy_cache_bypass $cookie_nocache;
    
    # 或使用查詢參數繞過
    proxy_cache_bypass $arg_nocache;
}



}

多個繞過條件：

server {
location / {
proxy_pass http://backend;
proxy_cache my_cache;


    set $cache_bypass 0;
    
    # 特定 Cookie 時繞過
    if ($http_cookie ~* "admin_logged_in") {
        set $cache_bypass 1;
    }
    
    # 特定 URL 時繞過
    if ($request_uri ~* "^/(admin|dashboard)/") {
        set $cache_bypass 1;
    }
    
    # POST 請求時繞過
    if ($request_method = POST) {
        set $cache_bypass 1;
    }
    
    proxy_cache_bypass $cache_bypass;
    proxy_no_cache $cache_bypass;
}



}

5.2. 快取清除（手動腳本）

#!/bin/bash


purge_cache.sh - 手動快取清除腳本


CACHE_DIR="/var/cache/nginx"
CACHE_ZONE="my_cache"


清除所有快取


purge_all() {
echo "正在清除所有快取..."
sudo rm -rf ${CACHE_DIR}/${CACHE_ZONE}/*
echo "快取已清除！"
}


清除特定 URL 的快取


purge_url() {
local url=$1
local cache_key=$(echo -n "$url" | md5sum | awk '{print $1}')
local cache_path=$(find ${CACHE_DIR}/${CACHE_ZONE} -name "${cache_key}")


if [ -n "$cache_path" ]; then
    echo "正在清除快取：$url"
    sudo rm -f $cache_path
    echo "已清除：$cache_path"
else
    echo "找不到快取：$url"
fi



}


case "$1" in
all)
purge_all
;;
url)
purge_url "$2"
;;
*)
echo "用法：$0 {all|url }"
exit 1
;;
esac

快取預熱腳本：

#!/bin/bash


cache_warmup.sh - 快取預熱


URLS=(
"http://example.com/"
"http://example.com/products"
"http://example.com/about"
"http://example.com/contact"
)


echo "開始快取預熱..."


for url in "${URLS[@]}"; do
echo "預熱中：$url"
curl -s -o /dev/null -w "狀態：%{http_code}，時間：%{time_total}秒\n" "$url"
sleep 0.5
done


echo "快取預熱完成！"

6. 練習題

練習1：瀏覽器快取

  1. 建立靜態檔案伺服器
  2. 設定 Expires 標頭：
    • 圖片：1 年
    • CSS/JS：1 個月
    • HTML：1 小時
  3. 使用瀏覽器 DevTools（網路分頁）進行測試
  4. 確認快取標頭

練習2：代理快取

  1. 建立後端伺服器（Node.js/Python）
  2. 設定 Nginx 代理快取
  3. 產生流量並監控快取命中/未命中
  4. 檢查 /var/cache/nginx 中的快取檔案

練習3：WordPress 的 FastCGI 快取

  1. 安裝 WordPress
  2. 設定 FastCGI 快取
  3. 測試以下情況的快取繞過：
    • 已登入使用者
    • 管理員頁面
    • POST 請求
  4. 測量效能改善

練習4：自訂快取鍵

  1. 設定帶有自訂鍵（含裝置類型）的快取
  2. 從行動裝置和桌機進行測試
  3. 驗證不同的快取版本

練習5：快取效能測試

  1. 分別建立有快取和無快取的環境
  2. 使用 Apache Bench 進行基準測試：
# 無快取
ab -n 1000 -c 10 http://example.com/


有快取


ab -n 1000 -c 10 http://example.com/
  1. 比較結果

7. 故障排除

7.1. 快取無法運作

問題： X-Cache-Status 始終顯示 MISS

診斷：

# 檢查快取目錄權限
ls -la /var/cache/nginx/


檢查快取設定


sudo nginx -T | grep cache


確認快取區是否已定義


sudo nginx -T | grep keys_zone


監控快取檔案建立情況


watch -n 1 'ls -lh /var/cache/nginx/proxy/'

解決方案：

# 設定適當的權限
sudo chown -R nginx:nginx /var/cache/nginx/
sudo chmod -R 755 /var/cache/nginx/


確認快取區設定


http {
proxy_cache_path /var/cache/nginx/proxy
levels=1:2
keys_zone=my_cache:10m;


server {
    location / {
        proxy_pass http://backend;
        proxy_cache my_cache;  # 必須與 keys_zone 名稱一致
        proxy_cache_valid 200 10m;
    }
}



}

7.2. 快取佔用過多磁碟空間

解決方案：

# 設定 max_size
proxy_cache_path /var/cache/nginx/proxy
levels=1:2
keys_zone=my_cache:10m
max_size=1g          # 限制為 1GB
inactive=60m;         # 清除非活躍檔案


或使用 tmpfs（RAM 磁碟）


新增至 /etc/fstab：


tmpfs /var/cache/nginx tmpfs defaults,size=512M 0 0

7.3. 提供了過期內容

解決方案：

# 手動清除快取
sudo rm -rf /var/cache/nginx/proxy/*
sudo systemctl reload nginx


或實作快取版本控制


location / {
proxy_pass http://backend;
proxy_cache my_cache;


# 在快取鍵中加入版本號
proxy_cache_key "$scheme$host$request_uri$http_x_app_version";



}

總結

本課學到了：

  • ✅ 使用 Expires 與 Cache-Control 標頭的瀏覽器快取
  • ✅ 代理快取設定（快取區、鍵值、有效期間）
  • ✅ PHP/WordPress 的 FastCGI 快取
  • ✅ 進階快取鍵策略（依裝置、語言、使用者區段）
  • ✅ 快取繞過和清除方法
  • ✅ 快取效能故障排除

下一課： SSL/TLS — 如何使用 Let's Encrypt 設定 HTTPS、實作安全通訊與 HSTS。