URL是如何关联Nginx location配置块的？

上一篇文章介绍了HTTP请求匹配server{ }配置块的过程，接着请求会继续匹配location{ }配置块，并最终决定哪些指令及Nginx模块处理请求。本文将介绍location的匹配规则，以及rewrite指令与location匹配顺序的关系。

生产环境中的nginx.conf往往含有上百条location，这是因为Nginx常常身兼多职：充当提供静态资源CDN、作为负载均衡为分布式集群提供扩展性、作为API gateway提供接口服务等等。location一旦配置错误，Nginx上巨大的并发连接数会将错误放大上万倍，很容易导致严重的线上事故。

而location也很容易配置错误，它既支持前缀匹配，也支持正则表达式匹配，当二者同时出现时，为了获得更高的性能，Nginx设计了复杂的location匹配优先级。这是因为前缀匹配是对静态的location多叉树检索完成的，它的性能要比正则表达式高得多，唯有搞清楚具体的匹配流程，我们才能设计出匹配速度更快的location。

而且rewrite指令修改URL的功能也让location匹配变得更为复杂。特别是rewrite出现在server{ }和location{ } 里，会导致完全不同的结果。设计location时，我们还需要考虑到rewrite的效率，以及它是否会导致循环重定向。

这篇文章将从底层讲清楚URL匹配location { }配置块的流程，以及rewrite指令修改URL后，Nginx又是怎样重新匹配location的。

如何匹配前缀location？

location { }中定义了哪些Nginx模块会处理以及如何处理HTTP请求，因此，URL与location的匹配关系到功能的正确性，它是学好Nginx的必要条件。

location有两类匹配URL的方式，一类是前缀匹配，一类是正则表达式匹配。我们先来看前缀匹配。

URL通过/正斜杠符号分隔对象，因此URL从前至后具有天然的层级关系。比如，/wp-content/uploads/2019/07/test.jpg就具备以下意义：第1级wp-content说明它属于wordpress的内容，第2级uploads说明这是用户自行上传的文件，第3、4级2019/07描述了它的上传日期，第5级则是文件名称及格式。所以，从前至后进行前缀匹配最自然不过，像location /wp-content/uploads { } 就可以匹配wordpress中所有用户上传的文件。

当请求同时匹配上多个location时，Nginx会选择前缀最长的location { }处理请求。比如，location /wp-content/uploads { }和location /wp-content/uploads/2019 { }同时存在时，/wp-content/uploads/2019/07/test.jpg请求只会命中后者。最长前缀匹配，是location匹配的核心原则。

由于许多location处于包含关系，因此很容易出现重复匹配，那么，当数百个前缀location同时配置时，Nginx怎样基于最长前缀原则，最有效率的关联URL呢？事实上，Nginx会在启动过程中，将server{ }内的所有location基于前缀的包含关系，建立一颗多叉树。

比如，如下12个location将会构造出1颗4层的静态树，其中子树中的所有location，都是比父结节更长的前缀location；在同一层的结点中，它们互不相属，但却是基于字母表有序的（注意，同级location的排序与长度无关）：

location /test {root html;}
location /res {root html/res;}
location /res/img {root html/res/img;}
location /res/video {root html/res/video;}
location / {root html/res;}
location /resource/js {root html/res;}
location /resource/image {root html/res;}
location /his {root html/res;}
location /his/20 {root html/res;}
location /his/2020 {root html/res;}
location /his/20/02 {root html/res;}
location = /50x.html {}

举个例子，location = /50x.html和location /res都是/结点的子结点，因此它们处于树的第2层。且因为首字母5的ASCII码比r要小，因此50x.html是res的左兄弟结点。为了提高检索效率，Nginx会在构造树的过程中，取每一层兄弟结点中间的那一个，作为父结点的直接子结点。就像50x.html、his、res、test四个结点并存时，res将作为/的直接子结点，这能够减少检索的时间复杂度。

我们以一个具体的例子来看下location树的匹配流程。比如/his/2001/test.jpg请求到达时，它的匹配顺序如下图蓝色箭头所示：

事实上，/his/2001/test.jpg请求的匹配共包含6步：

1. 请求首先命中/，暂时/将被设置为最长前缀，再进入子树看看有没有更长的前缀；
2. 未匹配上直接子结点res，由于h在字母表的顺序小于r，因此到左兄弟结点his中继续匹配；
3. 匹配上his后，此时/his被设置为最长前缀；
4. 匹配上直接子树/his/20，将其设为最长前缀，仍然进入子树尝试更长的前缀匹配；
5. 未匹配上直接子树20，由于1在字母表的顺序中小于2，因此到左兄弟结点中去看看；
6. /20未匹配命中，且在字母表中/先于1，匹配到此结束。这时，最长匹配是/his/20，于是使用此location处理请求/his/2001/test.jpg。

这样我们搞清楚了最长前缀匹配的底层逻辑，接下来再来看正则表达式location的用法。

如何匹配正则表达式location？

当遇到前缀匹配无法覆盖的URL时，可以使用正则表达式匹配请求。当然，与上一篇介绍过的server_name类似，使用正则表达式的前提是将pcre开发库编译进Nginx。一次写对正则表达式很难，在Linux下我建议你用pcretest命令行工具提前测试正则表达式。关于正则表达式和pcretest工具的用法，你可以观看下我在极客时间上的视频课程《Nginx核心知识100讲》第46课《Nginx中的正则表达式》。

在location中使用正则表达式，只需要在表达式前加入或者*符号，其中前者表示字母大小写敏感，而后者对大小写不敏感，例如：

location ~* *\.(gif|jpg|png|webp|)$

它可以匹配各类图片，且忽略文件格式后缀的大小写。

多个正则表达式location之间的匹配次序很简单，按照它们在server{ }块中出现的位置，依次匹配，直接使用最先命中的location即可。所以使用正则表达式要小心，当上方的正则表达式匹配范围过大时，下方的正则表达式location可能永远也无法命中。

当正则表达式与前缀location同时出现时，事情就变得复杂起来。我们前面介绍过，前缀location构成的多叉树匹配效率很高，而正则表达式的匹配要慢得多。因此，Nginx会优先进行前缀location匹配，再进行正则表达式location的匹配，而且Nginx额外给前缀location提供了2个跳过正则表达式匹配的武器：=和^~。

在执行前缀匹配时，如果URL与location完全相等，那么Nginx不会再检索子树寻找更长的前缀匹配，但还会执行正则表达式匹配。如果你希望URL完全相等后，不必再匹配正则表达式location，那么可以在location前增加=号。比如，当location = / {}与location / {}同时出现时，前者是为了匹配访问首页的请求，而后者可以匹配任何请求，常用来兜底。因此，如果某些页面访问频率非常高，你应该用=号加快location的匹配速度。

另外，^也可以跳过正则表达式匹配阶段，加快location的执行速度，而且它比=号的应用范围更广，^不需要URL完全相等，只需要匹配上前缀即可跳过后续的正则表达式。注意，只有最长匹配上携带^~符号，才能够跳过正则表达式。比如，你觉得/res/blog/js/1.js访问下面3个location时会获得什么响应？

location ^~ /res/blog {return 200 'res blog';}
location /res/blog/js {return 200 'res blog js';}
location ~* .*\.js {return 200 'js';}

答案是’js’！虽然这个请求同时命中了3个location，但2个前缀location中，/res/blog虽然带有^~符号，可惜它却不是最长的前缀匹配；而/res/blog/js虽然是最长前缀，但又不能阻止正则表达式；*最终第3个location ~ .*.js匹配上了URL！ **

简单的总结下location匹配规则（见下图）：

1. 先对前缀location执行最长前缀匹配
2. 若最长前缀location前，携带有=或者^~，那么使用此location配置块处理请求；
3. 按server{ }中正则表达式的出现顺序，依次匹配。成功后就选中此location；
4. 若所有正则表达式皆未匹配上，则使用第1步中检索出的最长前缀location处理请求。

你可能会问，如果第1步中就没有找到能匹配上的前缀location，那该怎么办？很简单，Nginx会直接返回404。当然，为了避免这种情况发生，通常我们都会添加location / { }兜底，它可以匹配任意URL。

注意：location中的正则表达式，就像server_name中一样，可以用小括号()提取变量，供后续其他Nginx模块的指令使用。

配置location时，还有一个技巧需要你掌握：由于客户端的URL中可能含有重复的正斜杠/，因此Nginx会自动合并连续的重复正斜杠/。比如，//res/blog///a.js会被合并成/res/blog/a.js。如果你想关闭这一功能，可以添加下面这行配置：

merge_slashes off;

由于location的匹配规则相当复杂，所以Nginx会在debug级别的日志中，打印出最终选中了哪个location。比如：

test location: "/"
test location: "res"
test location: "/blog"
using configuration "/res/blog"

其中，using configuration指明了最终选择了哪个location。当然，要想开启debug日志，除了在nginx.conf里将error_log的日志级别设为debug外，还需要在configure时加入了—with-debug选项。

rewrite指令是如何工作的

虽然我们已经清楚了location的匹配规则，但是，匹配的URL未必是客户端的原始URL，因为rewrite指令可以修改URL！因此，我们还需要了解rewrite指令的用法，这样才能全面掌握location的匹配规则。

当系统升级、维护或者数据迁移时，往往需要重写URL后，再执行location匹配。rewrite指令就是用来重写URL的，它的用法非常简单，比如下面这行指令就可以将/reg1/a.js修改为/reg2/a.js：

rewrite /reg1/(.*) /reg2/$1;

显然，rewrite可以反复地修改URL，并导致location被反复匹配命中。因此，为了防止不当的rewrite指令导致死循环，Nginx在代码层面将1个请求的rewrite次数限制为10次，超过后会直接返回500错误码：

#define NGX_HTTP_MAX_URI_CHANGES           10

rewrite指令既可以直接出现在server{ }块中，也可以出现在location { }块中，但它们的工作流程却完全不同！比如，你觉得下面的rewrite会导致请求/reg1/a.js无限循环吗？

rewrite /reg1/(.*) /reg2/$1;
location /reg2 {rewrite /reg2/(.*) /reg1/$1;}

其实不会，因为server{ }中的rewrite指令只会执行1次。要说清楚rewrite、location的执行时机，我们得先清楚HTTP请求的11个执行阶段。

当Nginx接收完HTTP头部后，会让各Nginx模块基于Pipe And Filter模型依次处理请求。其中，为了让模块的处理次序更加可控，Nginx基于Web语义将其分为11个阶段，每个Nginx模块通常会选择1个阶段介入请求的处理流程。rewrite与location涉及到其中的4个阶段，下面看看它们究竟做了些什么：

我们依次分析这4个阶段：

1. server{ }块中的rewrite指令，将在NGX_HTTP_SERVER_REWRITE_PHASE阶段执行。从图中可以看到，它只会执行1次；
2. 前2节介绍的location匹配流程，就发生在NGX_HTTP_FIND_CONFIG_PHASE阶段；
3. location{ }块中的rewrite指令，在NGX_HTTP_REWRITE_PHASE阶段执行；
4. NGX_HTTP_POST_REWRITE_PHASE阶段中，判断location中的rewrite指令是否重写了URL，如果是，那么跳转到NGX_HTTP_FIND_CONFIG_PHASE阶段再做1次location匹配，否则继续向下，由其他Nginx模块处理请求。

因此，不同于server{ }块，location中的rewrite指令是可能反复执行多次的。

其实，rewrite指令还可以携带4种不同的flag参数，它还将影响if、set等其他脚本类指令的执行。本文聚焦于location的匹配，后续我在脚本指令的介绍文章中，还会讲到rewrite指令的其他用法。

小结

本文介绍了HTTP请求匹配location的流程。

location支持URL按最长前缀进行location匹配。Nginx启动时会将所有前缀location构造出一颗静态的多叉树，其中子树中的结点都是父结点的更长前缀，而兄弟结点间则按字母表排序。这样，前缀URL的匹配效率就很高。

相比起来，正则表达式则按照在nginx.conf中的出现顺序进行匹配，效率要低得多。当二者同时出现时，虽然正则表达式优先级更高，但=号和^~号可以让前缀location跳过正则表达式匹配，提升性能。然而这样让location匹配更容易出错，如果你在开发环境中，可以借助debug级别的error.log日志，通过using configuration确认Nginx究竟选择了什么location来处理请求。

rewrite指令可以反复修改URL，其中server{ }块中的rewrite指令只会执行1次，而location中的rewrite则可能最多执行10次，超出后Nginx会返回500错误码。只有理解了11个HTTP阶段的执行顺序，才能掌握rewrite与location的匹配关系。

你可能知道，location { }配置块内可以嵌套location { }，虽然这不是一种推荐的配置方式，但它确实是被语法规则支持的。那么，在嵌套发生时，基于本文的理论，location是如何匹配的？rewrite指令又是怎样工作的？欢迎你在帖子下方留言，与我一起探讨更好的热部署实现方案。