Http緩存機制

時間  2019-11-10
標籤 http 緩存 機制 欄目 HTTP/TCP 简体版
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前言

Http簡介

瀏覽器和服務器之間通訊是經過HTTP協議，HTTP協議永遠都是客戶端發起請求，服務器回送響應。模型以下：html

clipboard.png

HTTP報文就是瀏覽器和服務器間通訊時發送及響應的數據塊。瀏覽器向服務器請求數據，發送請求(request)報文；服務器向瀏覽器返回數據，返回響應(response)報文。報文信息主要分爲兩部分：前端

報文頭部：一些附加信息（cookie，緩存信息等），與緩存相關的規則信息，均包含在頭部中
數據主體部分：HTTP請求真正想要傳輸的數據內容數據庫

緩存的做用

咱們爲何使用緩存，是由於緩存能夠給咱們的 Web 項目帶來如下好處，以提升性能和用戶體驗。express

加快了瀏覽器加載網頁的速度；
減小了冗餘的數據傳輸，節省網絡流量和帶寬；
減小服務器的負擔，大大提升了網站的性能。瀏覽器

因爲從本地緩存讀取靜態資源，加快瀏覽器的網頁加載速度是必定的，也確實的減小了數據傳輸，就提升網站性能來講，可能一兩個用戶的訪問對於減少服務器的負擔沒有明顯效果，但若是這個網站在高併發的狀況下，使用緩存對於減少服務器壓力和整個網站的性能都會發生質的變化。緩存

原始模型（不是用緩存）

搭建一個Express的服務器，不加任何緩存信息頭：服務器

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

app.get('/',(req,res) => {
    res.send(`<!DOCTYPE html>
    <html lang="en">
    <head>
        <title>Document</title>
    </head>
    <body>
        Http Cache Demo
        <script src="/demo.js"></script>
    </body>
    </html>`)
})

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}`)    
})

咱們能夠看到請求結果以下：cookie

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請求過程以下：網絡

  1. 瀏覽器請求靜態資源demo.js
  2. 服務器讀取磁盤文件demo.js，返給瀏覽器
  3. 瀏覽器再次請求，服務器又從新讀取磁盤文件 demo.js，返給瀏覽器。

循環請求。。併發

  看得出來這種請求方式的流量與請求次數有關，同時，缺點也很明顯：

  • 浪費用戶流量
  • 浪費服務器資源，服務器要讀磁盤文件，而後發送文件到瀏覽器
  • 瀏覽器要等待js下載而且執行後才能渲染頁面，影響用戶體驗

緩存規則

爲了方便理解，咱們認爲瀏覽器存在一個緩存數據庫，用於存儲緩存信息（實際上靜態資源是被緩存到了內存和磁盤中），在瀏覽器第一次請求數據時，此時緩存數據庫沒有對應的緩存數據，則須要請求服務器，服務器會將緩存規則和數據返回，瀏覽器將緩存規則和數據存儲進緩存數據庫。

clipboard.png

當瀏覽器地址欄輸入地址後請求的 index.html 是不會被緩存的，但 index.html 內部請求的其餘資源會遵循緩存策略，HTTP 緩存有多種規則，根據是否須要向服務器發送請求主要分爲兩大類，強制緩存和協商緩存。

Http緩存的分類

Http緩存能夠分爲兩大類，強制緩存（也稱強緩存）和協商緩存。兩類緩存規則不一樣，強制緩存在緩存數據未失效的狀況下，不須要再和服務器發生交互；而協商緩存，顧名思義，須要進行比較判斷是否可使用緩存。
  兩類緩存規則能夠同時存在，強制緩存優先級高於協商緩存，也就是說，當執行強制緩存的規則時，若是緩存生效，直接使用緩存，再也不執行協商緩存規則。

強制緩存

強制緩存是第一次訪問服務器獲取數據後，在有效時間內不會再請求服務器，而是直接使用緩存數據，強制緩存的流程以下:

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強制緩存分爲兩種狀況，Expires和Cache-Control。

Expires

Expires的值是服務器告訴瀏覽器的緩存過時時間（值爲GMT時間，即格林尼治時間），即下一次請求時，若是瀏覽器端的當前時間尚未到達過時時間，則直接使用緩存數據。下面經過咱們的Express服務器來設置一下Expires響應頭信息。

//其餘代碼...
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('ddd, DD MMM YYYY HH:mm:ss')+' GMT';
}
//其餘代碼...

咱們在demo.js中添加了一個Expires響應頭，不過因爲是格林尼治時間，因此經過momentjs轉換一下。第一次請求的時候仍是會向服務器發起請求，同時會把過時時間和文件一塊兒返回給咱們；可是當咱們刷新的時候，纔是見證奇蹟的時刻：

clipboard.png

能夠看出文件是直接從緩存（memory cache）中讀取的，並無發起請求。咱們在這邊設置過時時間爲兩分鐘，兩分鐘事後能夠刷新一下頁面看到瀏覽器再次發送請求了。

  雖然這種方式添加了緩存控制，節省流量，可是仍是有如下幾個問題的：

  • 因爲瀏覽器時間和服務器時間不一樣步，若是瀏覽器設置了一個很後的時間，過時時間一直沒有用
  • 緩存過時後，無論文件有沒有發生變化，服務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，如今默認瀏覽器均默認使用HTTP 1.1，因此它的做用基本忽略。

Cache-Control

針對瀏覽器和服務器時間不一樣步，加入了新的緩存方案；此次服務器不是直接告訴瀏覽器過時時間，而是告訴一個相對時間Cache-Control=10秒，意思是10秒內，直接使用瀏覽器緩存。

Cache-Control各個值的含義：

**private**：客戶端能夠緩存；
**public**：客戶端和代理服務器均可以緩存（對於前端而言，能夠認爲與 private 效果相同）；
**max-age=xxx**：緩存的內容將在 xxx 秒後過時（相對時間，秒爲單位）；
**no-cache**：須要使用協商緩存（後面介紹）來驗證數據是否過時；
**no-store**：全部內容都不會緩存，強制緩存和協商緩存都不會觸發。
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)
})

clipboard.png

其實緩存的儲存是內存和磁盤兩個位置，由當前瀏覽器自己的策略決定，比較隨機，從內存的緩存中取出的數據會顯示 (from memory cache)，從磁盤的緩存中取出的數據會顯示 (from disk cache)。

協商緩存

強制緩存的弊端很明顯，即每次都是根據時間來判斷緩存是否過時；可是當到達過時時間後，若是文件沒有改動，再次去獲取文件就有點浪費服務器的資源了。

協商緩存又叫對比緩存，設置協商緩存後，第一次訪問服務器獲取數據時，服務器會將數據和緩存標識一塊兒返回給瀏覽器，客戶端會將數據和標識存入緩存數據庫中，下一次請求時，會先去緩存中取出緩存標識發送給服務器進行詢問，當服務器數據更改時會更新標識，因此服務器拿到瀏覽器發來的標識進行對比，相同表明數據未更改，響應瀏覽器通知數據未更改，瀏覽器會去緩存中獲取數據，若是標識不一樣，表明服務器更改過數據，因此會將新的數據和新的標識返回瀏覽器，瀏覽器會將新的數據和標識存入緩存中，協商緩存的流程以下:

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協商緩存和強制緩存不一樣的是，協商緩存每次請求都須要跟服務器通訊，並且命中緩存服務器返回狀態碼再也不是 200，而是 304。

協商緩存有兩組報文結合使用：

  1. Last-Modified和If-Modified-Since
  2. ETag和If-None-Match

clipboard.png

Last-Modified

HTTP 1.0 版本中：
爲了節省服務器的資源，再次改進方案。瀏覽器和服務器協商，服務器每次返回文件的同時，告訴瀏覽器文件在服務器上最近的修改時間。請求過程以下：

  1. 瀏覽器請求靜態資源demo.js
  2. 服務器讀取磁盤文件demo.js，返給瀏覽器，同時帶上文件上次修改時間 Last-Modified（GMT標準格式）
  3. 當瀏覽器上的緩存文件過時時，瀏覽器帶上請求頭If-Modified-Since（等於上一次請求的Last-Modified）請求服務器
  4. 服務器比較請求頭裏的If-Modified-Since和文件的上次修改時間。若是果一致就繼續使用本地緩存（304），若是不一致就再次返回文件內容和Last-Modified。
  5. 循環請求。。

代碼實現過程以下：

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)
    }
})

clipboard.png

雖然這個方案比前面三個方案有了進一步的優化，瀏覽器檢測文件是否有修改，若是沒有變化就再也不發送文件；可是仍是有如下缺點：

  • 因爲Last-Modified修改時間是GMT時間，只能精確到秒，若是文件在1秒內有屢次改動，服務器並不知道文件有改動，瀏覽器拿不到最新的文件
  • 若是服務器上文件被屢次修改了可是內容卻沒有發生改變，服務器須要再次從新返回文件。

ETag

HTTP 1.1 版本中：
爲了解決文件修改時間不精確帶來的問題，服務器和瀏覽器再次協商，此次不返回時間，返回文件的惟一標識ETag。只有當文件內容改變時，ETag才改變。請求過程以下：

  • 瀏覽器請求靜態資源demo.js
  • 服務器讀取磁盤文件demo.js，返給瀏覽器，同時帶上文件的惟一標識ETag
  • 當瀏覽器上的緩存文件過時時，瀏覽器帶上請求頭If-None-Match（等於上一次請求的ETag）請求服務器
  • 服務器比較請求頭裏的If-None-Match和文件的ETag。若是一致就繼續使用本地緩存（304），若是不一致就再次返回文件內容和ETag。
  • 循環請求。。
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);
    }
})

請求結果以下：

clipboard.png

總結

爲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，甚至強制緩存和協商緩存也會同時使用，對於強制緩存，服務器通知瀏覽器一個緩存時間，在緩存時間內，下次請求，直接使用緩存，超出有效時間，執行協商緩存策略，對於協商緩存，將緩存信息中的 Etag 和 Last-Modified 經過請求頭 If-None-Match 和 If-Modified-Since 發送給服務器，由服務器校驗同時設置新的強制緩存，校驗經過並返回 304 狀態碼時，瀏覽器直接使用緩存，若是協商緩存也未命中，則服務器從新設置協商緩存的標識。

關於Pragma

當該字段值爲no-cache的時候，會告訴瀏覽器不要對該資源緩存，即每次都得向服務器發一次請求才行：

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

經過Pragma來禁止緩存，經過Cache-Control設置兩分鐘緩存，可是從新訪問咱們會發現瀏覽器會再次發起一次請求，說明了Pragma的優先級高於Cache-Control

緩存的優先級

Pragma > Cache-Control > Expires > ETag > Last-Modified
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