作为前端应当了解的Web缓存知识

2021-11-07 08:31:35

缓存优点

通常所说的Web缓存指的是可以自动保存常见http请求副本的http设备。对于前端开发者来说，浏览器充当了重要角色。除此外常见的还有各种各样的代理服务器也可以做缓存。当Web请求到达缓存时，缓存从本地副本中提取这个副本内容而不需要经过服务器。这带来了以下优点：

  • 缓存减少了冗余的数据传输，节省流量
  • 缓存缓解了带宽瓶颈问题。不需要更多的带宽就能更快加载页面
  • 缓存缓解了瞬间拥塞，降低了对原始服务器的要求。
  • 缓存降低了距离延时， 因为从较远的地方加载页面会更慢一些。

缓存种类

缓存可以是单个用户专用的，也可以是多个用户共享的。专用缓存被称为私有缓存，共享的缓存被称为公有缓存。

私有缓存

私有缓存只针对专有用户，所以不需要很大空间，廉价。Web浏览器中有内建的私有缓存——大多数浏览器都会将常用资源缓存在你的个人电脑的磁盘和内存中。如Chrome浏览器的缓存存放位置就在：C:\Users\Your_Account\AppData\Local\Google\Chrome\User Data\Default中的Cache文件夹和Media Cache文件夹。

公有缓存

公有缓存是特殊的共享代理服务器，被称为缓存代理服务器或代理缓存（反向代理的一种用途）。公有缓存会接受来自多个用户的访问，所以通过它能够更好的减少冗余流量。
下图中每个客户端都会重复的向服务器访问一个资源（此时还不在私有缓存中），这样它会多次访问服务器，增加服务器压力。而使用共享的公有缓存时，缓存只需要从服务器取一次，以后不用再经过服务器，能够显著减轻服务器压力。
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事实上在实际应用中通常采用层次化的公有缓存，基本思想是在靠近客户端的地方使用小型廉价缓存，而更高层次中，则逐步采用更大、功能更强的缓存在装载多用户共享的资源。

缓存处理流程

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而对于前端开发者来说，我们主要跟浏览器中的缓存打交道，所以上图流程简化为：
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下面这张图展示了某一网站，对不同资源的请求结果，其中可以看到有的资源直接从缓存中读取，有的资源跟服务器进行了再验证，有的资源重新从服务器端获取。
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注意，我们讨论的所有关于缓存资源的问题，都仅仅针对GET请求。而对于POST, DELETE, PUT这类行为性操作通常不做任何缓存

新鲜度限值

HTTP通过缓存将服务器资源的副本保留一段时间，这段时间称为新鲜度限值。这在一段时间内请求相同资源不会再通过服务器。HTTP协议中Cache-Control 和 Expires可以用来设置新鲜度的限值，前者是HTTP1.1中新增的响应头，后者是HTTP1.0中的响应头。二者所做的事时都是相同的，但由于Cache-Control使用的是相对时间，而Expires可能存在客户端与服务器端时间不一样的问题，所以我们更倾向于选择Cache-Control。

Cache-Control

下面我们来看看Cache-Control都可以设置哪些属性值：

  • max-age（单位为s）指定设置缓存最大的有效时间，定义的是时间长短。当浏览器向服务器发送请求后，在max-age这段时间里浏览器就不会再向服务器发送请求了。
<html>
  <head>
    <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=utf-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0, maximum-scale=1.0, user-scalable=no" />
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=EDGE" />
    <title>Web Cache</title>
    <link rel="shortcut icon" href="./shortcut.png">
    <script>
    </script>
  </head>
  <body class="claro">
  <img src="./cache.png">
  </body>
</html>
var http = require('http');
var fs = require('fs');
http.createServer(function(req, res) {
    if (req.url === '/' || req.url === '' || req.url === '/index.html') {
        fs.readFile('./index.html', function(err, file) {
            console.log(req.url)
            //对主文档设置缓存，无效果
            res.setHeader('Cache-Control', "no-cache, max-age=" + 5);
            res.setHeader('Content-Type', 'text/html');
            res.writeHead('200', "OK");
            res.end(file);
        });
    }
    if (req.url === '/cache.png') {
        fs.readFile('./cache.png', function(err, file) {
            res.setHeader('Cache-Control', "max-age=" + 5);//缓存五秒
            res.setHeader('Content-Type', 'images/png');
            res.writeHead('200', "Not Modified");
            res.end(file);
        });
    }
    
}).listen(8888)

当在5秒内第二次访问页面时，浏览器会直接从缓存中取得资源
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  • public 指定响应可以在代理缓存中被缓存，于是可以被多用户共享。如果没有明确指定private，则默认为public。
  • private 响应只能在私有缓存中被缓存，不能放在代理缓存上。对一些用户信息敏感的资源，通常需要设置为private。
  • no-cache 表示必须先与服务器确认资源是否被更改过（依靠If-None-Match和Etag），然后再决定是否使用本地缓存。
    如果上文中关于cache.png的处理改成下面这样，则每次访问页面，浏览器都需要先去服务器端验证资源有没有被更改。
fs.readFile('./cache.png', function(err, file) {
            console.log(req.headers);
            console.log(req.url)
            if (!req.headers['if-none-match']) {
                res.setHeader('Cache-Control', "no-cache, max-age=" + 5);
                res.setHeader('Content-Type', 'images/png');
                res.setHeader('Etag', "ffff");
                res.writeHead('200', "Not Modified");
                res.end(file);
            } else {
                if (req.headers['if-none-match'] === 'ffff') {
                    res.writeHead('304', "Not Modified");
                    res.end();
                } else {
                    res.setHeader('Cache-Control', "max-age=" + 5);
                    res.setHeader('Content-Type', 'images/png');
                    res.setHeader('Etag', "ffff");
                    res.writeHead('200', "Not Modified");
                    res.end(file);
                }
            }
            
        });

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  • no-store 绝对禁止缓存任何资源，也就是说每次用户请求资源时，都会向服务器发送一个请求，每次都会下载完整的资源。通常用于机密性资源。

关于Cache-Control的使用，见下面这张图（来自大额）
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客户端的新鲜度限值

Cache-Control不仅仅可以在响应头中设置，还可以在请求头中设置。浏览器通过请求头中设置Cache-Control可以决定是否从缓存中读取资源。这也是为什么有时候点击浏览器刷新按钮和在地址栏回车，在NetWork模块中看到完全不同的结果
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Expires

不推荐使用Expires，它指定的是具体的过期日期而不是秒数。因为很多服务器跟客户端存在时钟不一致的情况，所以最好还是使用Cache-Control.

服务器再验证

浏览器或代理缓存中缓存的资源过期了，并不意味着它和原始服务器上的资源有实际的差异，仅仅意味着到了要进行核对的时间了。这种情况被称为服务器再验证。

  • 如果资源发生变化，则需要取得新的资源，并在缓存中替换旧资源。
  • 如果资源没有发生变化，缓存只需要获取新的响应头，和一个新的过期时间，对缓存中的资源过期时间进行更新即可。
    HTTP1.1推荐使用的验证方式是If-None-Match/Etag，在HTTP1.0中则使用If-Modified-Since/Last-Modified。

Etag与If-None-Match

根据实体内容生成一段hash字符串，标识资源的状态，由服务端产生。浏览器会将这串字符串传回服务器，验证资源是否已经修改，如果没有修改，过程如下(图片来自浅谈Web缓存)：
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上文的demo中我们见到过服务器端如何验证Etag：
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由于Etag有服务器构造，所以在集群环境中一定要保证Etag的唯一性

If-Modified-Since与Last-Modified

这两个是HTTP1.0中用来验证资源是否过期的请求/响应头，这两个头部都是日期，验证过程与Etag类似，这里不详细介绍。使用这两个头部来验证资源是否更新时，存在以下问题：

  • 有些文档资源周期性的被重写，但实际内容没有改变。此时文件元数据中会显示文件最近的修改日期与If-Modified-Since不相同，导致不必要的响应。
  • 有些文档资源被修改了，但修改内容并不重要，不需要所有的缓存都更新（比如代码注释）

关于缓存的更新问题，请大家看看这里张云龙的回答，本文就不详细展开了。
本文demo代码如下：

<!DOCTYPE HTML>
<html>
  <head>
    <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=utf-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0, maximum-scale=1.0, user-scalable=no" />
    <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="IE=EDGE" />
    <title>Web Cache</title>
    <link rel="shortcut icon" href="./shortcut.png">
    <script>
    </script>
  </head>
  <body class="claro">
  <img src="./cache.png">
  </body>
</html>
var http = require('http');
var fs = require('fs');
http.createServer(function(req, res) {
    if (req.url === '/' || req.url === '' || req.url === '/index.html') {
        fs.readFile('./index.html', function(err, file) {
            console.log(req.url)
            //对主文档设置缓存，无效果
            res.setHeader('Cache-Control', "no-cache, max-age=" + 5);
            res.setHeader('Content-Type', 'text/html');
            res.writeHead('200', "OK");
            res.end(file);
        });
    }
    if (req.url === '/shortcut.png') {
        fs.readFile('./shortcut.png', function(err, file) {
            console.log(req.url)
            res.setHeader('Content-Type', 'images/png');
            res.writeHead('200', "OK");
            res.end(file);
        })
    }
    if (req.url === '/cache.png') {
        fs.readFile('./cache.png', function(err, file) {
            console.log(req.headers);
            console.log(req.url)
            if (!req.headers['if-none-match']) {
                res.setHeader('Cache-Control', "max-age=" + 5);
                res.setHeader('Content-Type', 'images/png');
                res.setHeader('Etag', "ffff");
                res.writeHead('200', "Not Modified");
                res.end(file);
            } else {
                if (req.headers['if-none-match'] === 'ffff') {
                    res.writeHead('304', "Not Modified");
                    res.end();
                } else {
                    res.setHeader('Cache-Control', "max-age=" + 5);
                    res.setHeader('Content-Type', 'images/png');
                    res.setHeader('Etag', "ffff");
                    res.writeHead('200', "Not Modified");
                    res.end(file);
                }
            }
            
        });
    }
    
}).listen(8888)
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