Nginx + CGI/FastCGI + C/Cpp

SamBookshelf 2016-02-01

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接着上篇《Nginx安装与使用》，本篇介绍CGI/FASTCGI的原理、及如何使用C/C++编写简单的CGI/FastCGI，最后将CGI/FASTCGI部署到nginx。内容大纲如下：

1. CGI

1.1. 环境变量

1.2. 标准输入

2. FastCGI

3. nginx cgi/fastcgi

3.1. nginx + fastcgi

3.1.1. spawn-fcgi

3.1.2. 编写fastcgi应用程序

3.1.3. nginx fastcgi配置

3.2. nginx + cgi

3.2.1 fastcgi-wrapper

3.2.2. nginx fcgiwrap配置

3.2.3. 编写cgi应用程序

参考链接

1.CGI

通用网关接口（Common Gateway Interface/CGI）描述了客户端和服务器程序之间传输数据的一种标准，可以让一个客户端，从网页浏览器向执行在网络服务器上的程序请求数据。CGI 独立于任何语言的，CGI 程序可以用任何脚本语言或者是完全独立编程语言实现，只要这个语言可以在这个系统上运行。Unix shell script, Python, Ruby, PHP, perl, Tcl, C/C++, 和 Visual Basic 都可以用来编写 CGI 程序。(http://www./yFFgQ)

最初，CGI 是在 1993 年由美国国家超级电脑应用中心（NCSA）为 NCSA HTTPd Web 服务器开发的。这个 Web 服务器使用了 UNIX shell 环境变量来保存从 Web 服务器传递出去的参数，然后生成一个运行 CGI 的独立的进程。cgi的处理流程如下图所示：

l step1. web 服务器收到客户端（浏览器）的请求Http Request，启动CGI程序，并通过环境变量、标准输入传递数据

l step2. cgi进程启动解析器、加载配置（如业务相关配置）、连接其它服务器（如数据库服务器）、逻辑处理等

l step3. cgi程将处理结果通过标准输出、标准错误，传递给web 服务器

l step4. web 服务器收到cgi返回的结果，构建Http Response返回给客户端，并杀死cgi进程

web服务器与cgi通过环境变量、标准输入、标准输出、标准错误互相传递数据。

1.1.环境变量

GET请求，它将数据打包放置在环境变量QUERY_STRING中，CGI从环境变量QUERY_STRING中获取数据。常见的环境变量如下表所示：

环境变数	内容
AUTH_TYPE	存取认证类型。
CONTENT_LENGTH	由标准输入传递给CGI程序的数据长度，以bytes或字元数来计算。
CONTENT_TYPE	请求的MIME类型。
GATEWAY_INTERFACE	服务器的CGI版本编号。
HTTP_ACCEPT	浏览器能直接接收的Content-types, 可以有HTTP Accept header定义.
HTTP_USER_AGENT	递交表单的浏览器的名称、版本和其他平台性的附加信息。
HTTP_REFERER	递交表单的文本的 URL，不是所有的浏览器都发出这个信息，不要依赖它
PATH_INFO	传递给cgi程式的路径信息。
QUERY_STRING	传递给CGI程式的请求参数，也就是用"?"隔开，添加在URL后面的字串。
REMOTE_ADDR	client端的host名称。
REMOTE_HOST	client端的IP位址。
REMOTE_USER	client端送出来的使用者名称。
REMOTE_METHOD	client端发出请求的方法（如get、post）。
SCRIPT_NAME	CGI程式所在的虚拟路径，如/cgi-bin/echo。
SERVER_NAME	server的host名称或IP地址。
SERVER_PORT	收到request的server端口。
SERVER_PROTOCOL	所使用的通讯协定和版本编号。
SERVER_SOFTWARE	server程序的名称和版本。

1.2.标准输入

环境变量的大小是有一定的限制的，当需要传送的数据量大时，储存环境变量的空间可能会不足，造成数据接收不完全，甚至无法执行CGI程序。因此后来又发展出另外一种方法：POST，也就是利用I/O重新导向的技巧，让CGI程序可以由STDIN和STDOUT直接跟浏览器沟通。

当我们指定用这种方法传递请求的数据时，web 服务器收到数据后会先放在一块输入缓冲区中，并且将数据的大小记录在CONTENT_LENGTH这个环境变数，然后调用CGI程式并将CGI程序的STDIN指向这块缓冲区，于是我们就可以很顺利的通过STDIN和环境变数CONTENT_LENGTH得到所有的资料，再没有资料大小的限制了。

总结：CGI使外部程序与Web服务器之间交互成为可能。CGI程式运行在独立的进程中，并对每个Web请求建立一个进程，这种方法非常容易实现，但效率很差，难以扩展。面对大量请求，进程的大量建立和消亡使操作系统性能大大下降。此外，由于地址空间无法共享，也限制了资源重用。

2.FastCGI

快速通用网关接口（Fast Common Gateway Interface／FastCGI）是通用网关接口（CGI）的改进，描述了客户端和服务器程序之间传输数据的一种标准。FastCGI致力于减少Web服务器与CGI程式之间互动的开销，从而使服务器可以同时处理更多的Web请求。与为每个请求创建一个新的进程不同，FastCGI使用持续的进程来处理一连串的请求。这些进程由FastCGI进程管理器管理，而不是web服务器。(http://www./yFMap)

当进来一个请求时，Web 服务器把环境变量和这个页面请求通过一个unix domain socket(都位于同一物理服务器）或者一个IP Socket（FastCGI部署在其它物理服务器）传递给FastCGI进程。

l step1. Web 服务器启动时载入初始化FastCGI执行环境。例如IIS ISAPI、apache mod_fastcgi、nginx ngx_http_fastcgi_module、lighttpd mod_fastcgi

l step2. FastCGI进程管理器自身初始化，启动多个CGI解释器进程并等待来自Web 服务器的连接。启动FastCGI进程时，可以配置以ip和UNIX 域socket两种方式启动。

l step3. 当客户端请求到达Web 服务器时， Web 服务器将请求采用socket方式转发到 FastCGI主进程，FastCGI主进程选择并连接到一个CGI解释器。Web 服务器将CGI环境变量和标准输入发送到FastCGI子进程。

l step4. FastCGI子进程完成处理后将标准输出和错误信息从同一socket连接返回Web 服务器。当FastCGI子进程关闭连接时，请求便处理完成。

l step5. FastCGI子进程接着等待并处理来自Web 服务器的下一个连接。

由于 FastCGI 程序并不需要不断的产生新进程，可以大大降低服务器的压力并且产生较高的应用效率。它的速度效率最少要比CGI 技术提高 5 倍以上。它还支持分布式的部署，即 FastCGI 程序可以在web 服务器以外的主机上执行。

总结：CGI 就是所谓的短生存期应用程序，FastCGI 就是所谓的长生存期应用程序。FastCGI像是一个常驻(long-live)型的CGI，它可以一直执行着，不会每次都要花费时间去fork一次(这是CGI最为人诟病的fork-and-execute 模式)。

3.nginx cgi/fastcgi

nginx 不能像apache那样直接执行外部可执行程序，但nginx可以作为代理服务器，将请求转发给后端服务器，这也是nginx的主要作用之一。其中nginx就支持FastCGI代理，接收客户端的请求，然后将请求转发给后端fastcgi进程。下面介绍如何使用C/C++编写cgi/fastcgi，并部署到nginx中。

3.1. nginx + fastcgi

通过前面的介绍知道，fastcgi进程由FastCGI进程管理器管理，而不是nginx。这样就需要一个FastCGI管理，管理我们编写fastcgi程序。本文使用spawn-fcgi作为FastCGI进程管理器。

3.1.1. spawn-fcgi

spawn-fcgi是一个通用的FastCGI进程管理器，简单小巧，原先是属于lighttpd的一部分，后来由于使用比较广泛，所以就迁移出来作为独立项目了。spawn-fcgi使用pre-fork 模型，功能主要是打开监听端口，绑定地址，然后fork-and-exec创建我们编写的fastcgi应用程序进程，退出完成工作。fastcgi应用程序初始化，然后进入死循环侦听socket的连接请求。

安装spawn-fcgi：

l 获取spawn-fcgi编译安装包，在http://redmine./projects/spawn-fcgi/wiki上可以获取当前最新的版本。

l 解压缩spawn-fcgi-x.x.x.tar.gz包。

l 进入解压缩目录，执行./configure。

l make & make install

如果遇到以下错误：“ ./autogen.sh: x: autoreconf: not found”，因为没有安装automake 工具，ubuntu用下面的命令安装好就可以了：sudo apt-get install autoconf automake libtool 。

spawn-fcgi的帮助信息可以通过man spawn-fcgi或spawn-fcgi –h获得，下面是部分常用spawn-fcgi参数信息：

-f <fcgiapp> 指定调用FastCGI的进程的执行程序位置

-a <addr> 绑定到地址addr。

-p <port> 绑定到端口port。

-s <path> 绑定到unix domain socket

-C <childs> 指定产生的FastCGI的进程数，默认为5。（仅用于PHP）

-P <path> 指定产生的进程的PID文件路径。

-F <childs> 指定产生的FastCGI的进程数（C的CGI用这个）

-u和-g FastCGI使用什么身份（-u 用户 -g 用户组）运行，CentOS下可以使用apache用户，其他的根据情况配置，如nobody、www-data等。

3.1.2. 编写fastcgi应用程序

使用C/C++编写fastcgi应用程序，可以使用FastCGI软件开发套件或者其它开发框架，如fastcgi++。

本文使用FastCGI软件开发套件——fcgi（http://www./drupal/node/6?q=node/21），通过此套件可以轻松编写fastcgi应用程序，安装fcgi：

l 获取fcgi编译安装包，在http://www./drupal/node/5上可以获取当前最新的版本。

l 解压缩fcgi-x.x.x.tar.gz包。

l 进入解压缩目录，执行./configure。

l make & make install

如果编译提示一下错误：

fcgio.cpp: In destructor 'virtual fcgi_streambuf::~fcgi_streambuf()':

fcgio.cpp:50: error: 'EOF' was not declared in this scope

fcgio.cpp: In member function 'virtual int fcgi_streambuf::overflow(int)':

fcgio.cpp:70: error: 'EOF' was not declared in this scope

fcgio.cpp:75: error: 'EOF' was not declared in this scope

fcgio.cpp: In member function 'virtual int fcgi_streambuf::sync()':

fcgio.cpp:86: error: 'EOF' was not declared in this scope

fcgio.cpp:87: error: 'EOF' was not declared in this scope

fcgio.cpp: In member function 'virtual int fcgi_streambuf::underflow()':

fcgio.cpp:113: error: 'EOF' was not declared in this scope

make[2]: *** [fcgio.lo] Error 1

make[2]: Leaving directory `/root/downloads/fcgi-2.4.1-SNAP-0910052249/libfcgi'

make[1]: *** [all-recursive] Error 1

make[1]: Leaving directory `/root/downloads/fcgi-2.4.1-SNAP-0910052249'

make: *** [all] Error 2

解决办法：在/include/fcgio.h文件中加上 #include <cstdio>，然后再编译安装就通过了。

如果提示找不到动态库，请在LD_LIBRARY_PATH或/etc/ld.so.conf中添加fcgi的安装路径，如/usr/local/lib，并执行ldconfig更新一下。

#include "fcgi_stdio.h"

#include <stdlib.h>

int main(void)

{

int count = 0;

while (FCGI_Accept() >= 0)

printf("Content-type: text/html\r\n"

"\r\n"

"<title>FastCGI Hello!</title>"

"<h1>FastCGI Hello!</h1>"

"Request number %d running on host <i>%s</i>\n",

++count, getenv("SERVER_NAME"));

return 0;

编译g++ main.cpp -o demo –lfcgi，并将demo部署到/opt/nginx-1.7.7/cgi-bin/目录

通过spawn-fcgi启动c/c++编写好的fastcgi程序：/opt/nginx-1.7.7/sbin/spawn-fcgi -a 127.0.0.1 -p 8081 -f /opt/nginx-1.7.7/cgi-bin/demo

3.1.3. nginx fastcgi配置

关于nginx的几个配置文件解析，可以参阅《Nginx安装与使用》http://www.cnblogs.com/skynet/p/4146083.html，在上篇的nginx.conf基础上增加下面的fastcgi配置。

这样nginx收到http://localhost/demo.cgi请求时，会匹配到location = /demo.cgi块，将请求传到后端的fastcgi应用程序处理。如下如所示：（注意其中number为80，是因为我请求了80次）

3.2. nginx + cgi

nginx 不能直接执行外部可执行程序，并且cgi是接收到请求时才会启动cgi进程，不像fastcgi会在一开就启动好，这样nginx天生是不支持 cgi 的。nginx 虽然不支持cgi，但它支持 fastCGI。所以，我们可以考虑使用fastcgi包装来支持 cgi。原理大致如下图所示：pre-fork几个通用的代理fastcgi程序——fastcgi-wrapper，fastcgi-wrapper启动执行cgi然后将cgi的执行结果返回给nginx（fork-and-exec）。

明白原理之后，编写一个fastcgi-warpper也比较简单。网上流传比较多的一个解决方案是，来自nginx wiki（http://wiki./SimpleCGI）上的使用perl的fastcgi包装脚本cgiwrap-fcgi.pl。但我对perl不是很感冒，下面给出一个C/C++写的fastcgi-wrapper。