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資訊專欄INFORMATION COLUMN

Http緩存機制

keke / 2067人閱讀

摘要:請求過程如下瀏覽器請求靜態(tài)資源服務(wù)器讀取磁盤文件,返給瀏覽器,同時帶上文件的唯一標(biāo)識當(dāng)瀏覽器上的緩存文件過期時,瀏覽器帶上請求頭等于上一次請求的請求服務(wù)器服務(wù)器比較請求頭里的和文件的。

前言 Http簡介

瀏覽器和服務(wù)器之間通信是通過HTTP協(xié)議,HTTP協(xié)議永遠都是客戶端發(fā)起請求,服務(wù)器回送響應(yīng)。模型如下:

HTTP報文就是瀏覽器和服務(wù)器間通信時發(fā)送及響應(yīng)的數(shù)據(jù)塊。瀏覽器向服務(wù)器請求數(shù)據(jù),發(fā)送請求(request)報文;服務(wù)器向瀏覽器返回數(shù)據(jù),返回響應(yīng)(response)報文。報文信息主要分為兩部分:

報文頭部:一些附加信息(cookie,緩存信息等),與緩存相關(guān)的規(guī)則信息,均包含在頭部中
數(shù)據(jù)主體部分:HTTP請求真正想要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容

緩存的作用

我們?yōu)槭裁词褂镁彺?,是因為緩存可以給我們的 Web 項目帶來以下好處,以提高性能和用戶體驗。

加快了瀏覽器加載網(wǎng)頁的速度;
減少了冗余的數(shù)據(jù)傳輸,節(jié)省網(wǎng)絡(luò)流量和帶寬;
減少服務(wù)器的負擔(dān),大大提高了網(wǎng)站的性能。

由于從本地緩存讀取靜態(tài)資源,加快瀏覽器的網(wǎng)頁加載速度是一定的,也確實的減少了數(shù)據(jù)傳輸,就提高網(wǎng)站性能來說,可能一兩個用戶的訪問對于減小服務(wù)器的負擔(dān)沒有明顯效果,但如果這個網(wǎng)站在高并發(fā)的情況下,使用緩存對于減小服務(wù)器壓力和整個網(wǎng)站的性能都會發(fā)生質(zhì)的變化。

原始模型(不是用緩存)

搭建一個Express的服務(wù)器,不加任何緩存信息頭:

const express = require("express");
const app = express();
const port = 8080;
const fs = require("fs");
const path = require("path");

app.get("/",(req,res) => {
    res.send(`
    
    
        Document
    
    
        Http Cache Demo
        
    
    `)
})

app.get("/demo.js",(req, res)=>{
    let jsPath = path.resolve(__dirname,"./static/js/demo.js");
    let cont = fs.readFileSync(jsPath);
    res.end(cont)
})

app.listen(port,()=>{
    console.log(`listen on ${port}`)    
})

我們可以看到請求結(jié)果如下:

請求過程如下:

瀏覽器請求靜態(tài)資源demo.js

服務(wù)器讀取磁盤文件demo.js,返給瀏覽器

瀏覽器再次請求,服務(wù)器又重新讀取磁盤文件 demo.js,返給瀏覽器。

循環(huán)請求。。

??看得出來這種請求方式的流量與請求次數(shù)有關(guān),同時,缺點也很明顯:

浪費用戶流量

浪費服務(wù)器資源,服務(wù)器要讀磁盤文件,然后發(fā)送文件到瀏覽器

瀏覽器要等待js下載并且執(zhí)行后才能渲染頁面,影響用戶體驗

緩存規(guī)則

為了方便理解,我們認(rèn)為瀏覽器存在一個緩存數(shù)據(jù)庫,用于存儲緩存信息(實際上靜態(tài)資源是被緩存到了內(nèi)存和磁盤中),在瀏覽器第一次請求數(shù)據(jù)時,此時緩存數(shù)據(jù)庫沒有對應(yīng)的緩存數(shù)據(jù),則需要請求服務(wù)器,服務(wù)器會將緩存規(guī)則和數(shù)據(jù)返回,瀏覽器將緩存規(guī)則和數(shù)據(jù)存儲進緩存數(shù)據(jù)庫。

當(dāng)瀏覽器地址欄輸入地址后請求的 index.html 是不會被緩存的,但 index.html 內(nèi)部請求的其他資源會遵循緩存策略,HTTP 緩存有多種規(guī)則,根據(jù)是否需要向服務(wù)器發(fā)送請求主要分為兩大類,強制緩存和協(xié)商緩存。

Http緩存的分類

Http緩存可以分為兩大類,強制緩存(也稱強緩存)和協(xié)商緩存。兩類緩存規(guī)則不同,強制緩存在緩存數(shù)據(jù)未失效的情況下,不需要再和服務(wù)器發(fā)生交互;而協(xié)商緩存,顧名思義,需要進行比較判斷是否可以使用緩存。
??兩類緩存規(guī)則可以同時存在,強制緩存優(yōu)先級高于協(xié)商緩存,也就是說,當(dāng)執(zhí)行強制緩存的規(guī)則時,如果緩存生效,直接使用緩存,不再執(zhí)行協(xié)商緩存規(guī)則。

強制緩存

強制緩存是第一次訪問服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)后,在有效時間內(nèi)不會再請求服務(wù)器,而是直接使用緩存數(shù)據(jù),強制緩存的流程如下:

強制緩存分為兩種情況,Expires和Cache-Control。

Expires

Expires的值是服務(wù)器告訴瀏覽器的緩存過期時間(值為GMT時間,即格林尼治時間),即下一次請求時,如果瀏覽器端的當(dāng)前時間還沒有到達過期時間,則直接使用緩存數(shù)據(jù)。下面通過我們的Express服務(wù)器來設(shè)置一下Expires響應(yīng)頭信息。

//其他代碼...
const moment = require("moment");

app.get("/demo.js",(req, res)=>{
    let jsPath = path.resolve(__dirname,"./static/js/demo.js");
    let cont = fs.readFileSync(jsPath);
    res.setHeader("Expires", getGLNZ()) //2分鐘
    res.end(cont)
})

function getGLNZ(){
    return moment().utc().add(2,"m").format("ffffd, DD MMM YYYY HH:mm:ss")+" GMT";
}
//其他代碼...

我們在demo.js中添加了一個Expires響應(yīng)頭,不過由于是格林尼治時間,所以通過momentjs轉(zhuǎn)換一下。第一次請求的時候還是會向服務(wù)器發(fā)起請求,同時會把過期時間和文件一起返回給我們;但是當(dāng)我們刷新的時候,才是見證奇跡的時刻:

可以看出文件是直接從緩存(memory cache)中讀取的,并沒有發(fā)起請求。我們在這邊設(shè)置過期時間為兩分鐘,兩分鐘過后可以刷新一下頁面看到瀏覽器再次發(fā)送請求了。

??雖然這種方式添加了緩存控制,節(jié)省流量,但是還是有以下幾個問題的:

由于瀏覽器時間和服務(wù)器時間不同步,如果瀏覽器設(shè)置了一個很后的時間,過期時間一直沒有用

緩存過期后,不管文件有沒有發(fā)生變化,服務(wù)器都會再次讀取文件返回給瀏覽器

不過Expires 是HTTP 1.0的東西,現(xiàn)在默認(rèn)瀏覽器均默認(rèn)使用HTTP 1.1,所以它的作用基本忽略。

Cache-Control

針對瀏覽器和服務(wù)器時間不同步,加入了新的緩存方案;這次服務(wù)器不是直接告訴瀏覽器過期時間,而是告訴一個相對時間Cache-Control=10秒,意思是10秒內(nèi),直接使用瀏覽器緩存。

Cache-Control各個值的含義:

**private**:客戶端可以緩存;
**public**:客戶端和代理服務(wù)器都可以緩存(對于前端而言,可以認(rèn)為與 private 效果相同);
**max-age=xxx**:緩存的內(nèi)容將在 xxx 秒后過期(相對時間,秒為單位);
**no-cache**:需要使用協(xié)商緩存(后面介紹)來驗證數(shù)據(jù)是否過期;
**no-store**:所有內(nèi)容都不會緩存,強制緩存和協(xié)商緩存都不會觸發(fā)。

app.get("/demo.js",(req, res)=>{
    let jsPath = path.resolve(__dirname,"./static/js/demo.js");
    let cont = fs.readFileSync(jsPath);
    res.setHeader("Cache-Control", "public,max-age=120") //2分鐘
    res.end(cont)
})

其實緩存的儲存是內(nèi)存和磁盤兩個位置,由當(dāng)前瀏覽器本身的策略決定,比較隨機,從內(nèi)存的緩存中取出的數(shù)據(jù)會顯示 (from memory cache),從磁盤的緩存中取出的數(shù)據(jù)會顯示 (from disk cache)。

協(xié)商緩存

強制緩存的弊端很明顯,即每次都是根據(jù)時間來判斷緩存是否過期;但是當(dāng)?shù)竭_過期時間后,如果文件沒有改動,再次去獲取文件就有點浪費服務(wù)器的資源了。

協(xié)商緩存又叫對比緩存,設(shè)置協(xié)商緩存后,第一次訪問服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)時,服務(wù)器會將數(shù)據(jù)和緩存標(biāo)識一起返回給瀏覽器,客戶端會將數(shù)據(jù)和標(biāo)識存入緩存數(shù)據(jù)庫中,下一次請求時,會先去緩存中取出緩存標(biāo)識發(fā)送給服務(wù)器進行詢問,當(dāng)服務(wù)器數(shù)據(jù)更改時會更新標(biāo)識,所以服務(wù)器拿到瀏覽器發(fā)來的標(biāo)識進行對比,相同代表數(shù)據(jù)未更改,響應(yīng)瀏覽器通知數(shù)據(jù)未更改,瀏覽器會去緩存中獲取數(shù)據(jù),如果標(biāo)識不同,代表服務(wù)器更改過數(shù)據(jù),所以會將新的數(shù)據(jù)和新的標(biāo)識返回瀏覽器,瀏覽器會將新的數(shù)據(jù)和標(biāo)識存入緩存中,協(xié)商緩存的流程如下:

協(xié)商緩存和強制緩存不同的是,協(xié)商緩存每次請求都需要跟服務(wù)器通信,而且命中緩存服務(wù)器返回狀態(tài)碼不再是 200,而是 304。

協(xié)商緩存有兩組報文結(jié)合使用:

Last-Modified和If-Modified-Since

ETag和If-None-Match

Last-Modified

HTTP 1.0 版本中:
為了節(jié)省服務(wù)器的資源,再次改進方案。瀏覽器和服務(wù)器協(xié)商,服務(wù)器每次返回文件的同時,告訴瀏覽器文件在服務(wù)器上最近的修改時間。請求過程如下:

瀏覽器請求靜態(tài)資源demo.js

服務(wù)器讀取磁盤文件demo.js,返給瀏覽器,同時帶上文件上次修改時間 Last-Modified(GMT標(biāo)準(zhǔn)格式)

當(dāng)瀏覽器上的緩存文件過期時,瀏覽器帶上請求頭If-Modified-Since(等于上一次請求的Last-Modified)請求服務(wù)器

服務(wù)器比較請求頭里的If-Modified-Since和文件的上次修改時間。如果果一致就繼續(xù)使用本地緩存(304),如果不一致就再次返回文件內(nèi)容和Last-Modified。

循環(huán)請求。。

代碼實現(xiàn)過程如下:

app.get("/demo.js",(req, res)=>{
    let jsPath = path.resolve(__dirname,"./static/js/demo.js")
    let cont = fs.readFileSync(jsPath);
    let status = fs.statSync(jsPath)

    let lastModified = status.mtime.toUTCString()
    if(lastModified === req.headers["if-modified-since"]){
        res.writeHead(304, "Not Modified")
        res.end()
    } else {
        res.setHeader("Cache-Control", "public,max-age=5")
        res.setHeader("Last-Modified", lastModified)
        res.writeHead(200, "OK")
        res.end(cont)
    }
})

雖然這個方案比前面三個方案有了進一步的優(yōu)化,瀏覽器檢測文件是否有修改,如果沒有變化就不再發(fā)送文件;但是還是有以下缺點:

由于Last-Modified修改時間是GMT時間,只能精確到秒,如果文件在1秒內(nèi)有多次改動,服務(wù)器并不知道文件有改動,瀏覽器拿不到最新的文件

如果服務(wù)器上文件被多次修改了但是內(nèi)容卻沒有發(fā)生改變,服務(wù)器需要再次重新返回文件。

ETag

HTTP 1.1 版本中:
為了解決文件修改時間不精確帶來的問題,服務(wù)器和瀏覽器再次協(xié)商,這次不返回時間,返回文件的唯一標(biāo)識ETag。只有當(dāng)文件內(nèi)容改變時,ETag才改變。請求過程如下:

瀏覽器請求靜態(tài)資源demo.js

服務(wù)器讀取磁盤文件demo.js,返給瀏覽器,同時帶上文件的唯一標(biāo)識ETag

當(dāng)瀏覽器上的緩存文件過期時,瀏覽器帶上請求頭If-None-Match(等于上一次請求的ETag)請求服務(wù)器

服務(wù)器比較請求頭里的If-None-Match和文件的ETag。如果一致就繼續(xù)使用本地緩存(304),如果不一致就再次返回文件內(nèi)容和ETag。

循環(huán)請求。。

const md5 = require("md5");

app.get("/demo.js",(req, res)=>{
    let jsPath = path.resolve(__dirname,"./static/js/demo.js");
    let cont = fs.readFileSync(jsPath);
    let etag = md5(cont);

    if(req.headers["if-none-match"] === etag){
        res.writeHead(304, "Not Modified");
        res.end();
    } else {
        res.setHeader("ETag", etag);
        res.writeHead(200, "OK");
        res.end(cont);
    }
})

請求結(jié)果如下:

總結(jié)

為了使緩存策略更加健壯、靈活,HTTP 1.0 版本 和 HTTP 1.1 版本的緩存策略會同時使用,甚至強制緩存和協(xié)商緩存也會同時使用,對于強制緩存,服務(wù)器通知瀏覽器一個緩存時間,在緩存時間內(nèi),下次請求,直接使用緩存,超出有效時間,執(zhí)行協(xié)商緩存策略,對于協(xié)商緩存,將緩存信息中的 Etag 和 Last-Modified 通過請求頭 If-None-Match 和 If-Modified-Since 發(fā)送給服務(wù)器,由服務(wù)器校驗同時設(shè)置新的強制緩存,校驗通過并返回 304 狀態(tài)碼時,瀏覽器直接使用緩存,如果協(xié)商緩存也未命中,則服務(wù)器重新設(shè)置協(xié)商緩存的標(biāo)識。

關(guān)于Pragma

當(dāng)該字段值為no-cache的時候,會告訴瀏覽器不要對該資源緩存,即每次都得向服務(wù)器發(fā)一次請求才行:

res.setHeader("Pragma", "no-cache") //禁止緩存
res.setHeader("Cache-Control", "public,max-age=120") //2分鐘

通過Pragma來禁止緩存,通過Cache-Control設(shè)置兩分鐘緩存,但是重新訪問我們會發(fā)現(xiàn)瀏覽器會再次發(fā)起一次請求,說明了Pragma的優(yōu)先級高于Cache-Control

緩存的優(yōu)先級
Pragma > Cache-Control > Expires > ETag > Last-Modified

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