初窥 HTTP 缓存

引言

对于前端来说, 你肯定听说过 HTTP 缓存。当然不管你知不知道它, 对于提高网站性能和用户体验, 它都扮演着重要的角色! 它通过在客户端和服务器之间存储和重用先前获取的资源副本, 来减少网络流量和降低资源加载时间, 从而提升用户体验! 以下是 HTTP 缓存的重要性:

减少加载时间: 通过使用缓存, 浏览器可以重用已下载的资源, 而不必每次都从服务器重新请求。这减少了页面加载时间, 提高了用户体验, 尤其是在较慢的网络连接下
降低服务器负载: HTTP 缓存可以减少服务器的负载, 因为不再需要为相同的资源处理大量重复请求。这有助于减少服务器资源的使用, 降低运营成本
减少网络流量: HTTP 缓存可以减少不必要的网络流量, 因为浏览器可以从本地缓存中加载资源, 而不必每次都从服务器下载。这有助于减少带宽成本, 尤其是对于大型网站来说
提高用户体验: 快速加载的网页提供更好的用户体验, 吸引更多的访问者, 并增加用户留存率。缓存使用户能够更快地访问网站内容, 从而提高了他们的满意度

实际开发中我们有时为了避免因为缓存导致资源没有更新, 常常会简单而粗暴的为资源文件路径添加一个时间戳! 该方式虽然有效, 也能解决实际问题, 但过于粗暴了, 我们完全可以采用更加优雅的方式。本文将对 HTTP 缓存进行一个详细的讲解, 来帮助大家对 HTTP 缓存有一个较深的理解, 帮忙大家在实际项目中设计出更为合理、高效的缓存方案!!

补充(偶然看到一句话, 送给大家): 所有的技术都是为了解决问题而存在的, 在不了解问题情况下强行记忆, 效果肯定是打折扣的!!

本文使用到的 DEMO 地址点这里

一、强缓存

首先在上文我们已经强调了 HTTP 缓存的一个重要性, 那么要想设计一个缓存方案, 最简单的办法就是根据资源加载的时间:

首次加载资源时将资源缓存起来
然后在指定时间内如果加载同一份资源, 则客户端(浏览器)直接使用缓存数据, 而不向服务器发起任何请求
当然如果超时则会发起新的请求获取资源, 然后再次缓存起来

而这种不发起任何请求(没经过服务端), 直接由客户端(浏览器)自行决定是否使用缓存的方案, 则被称为 强缓存!!

1.1 Expires

Expires 响应头, 表示当前获取到的资源的过期时间, 该时间是一个 GMT 时间, 即格林尼治时间!!

当客户端(浏览器)再次获取资源前:

如果 存在未到期 的缓存资源, 则直接获取缓存的资源, 不发起任何请求!!
如果 不存在缓存资源 或者 缓存的资源已过期, 则向服务器发起请求获取资源, 并再次缓存资源

特别注意的是, Expires 是 HTTP/1.0 的产物了, 现在大部分浏览器均默认使用 HTTP/1.1 所以它的作用基本可以忽略!!

但这里其实有一个问题, Expires 时间是由服务端生成的, 这时如果客户端时间跟服务器时间不一致, 就会导致缓存命中的误差!!

所以后面就有了 Cache-Control…

1.2 Cache-Control

Cache-Control 响应头, HTTP/1.1 出现的一个响应头, 它弥补了 Expires 的缺陷:

Expires 是直接由服务端给定一个资源过期时间
Cache-Control 则不同, 服务端只会告诉客户端该资源的有效期! 就比如, 它有一个 max-age 字段, 当它被设置为 10, 则表示当前资源有效期为 10 秒, 10 秒过后资源缓存将失效

Cache-Control 相对来说使用起来也更为复杂, 可设置的属性也比较多。当然复杂也说明它可适用于更广泛的复杂场景, 下面我们来看下 Cache-Control 响应头的语法规则:

不区分大小写, 但建议使用小写
多个指令以逗号分隔
具有可选参数, 可以用令牌或者带引号的字符串语法

Cache-Control 可选属性有: 注意 no-cache 和 no-store 的区别, no-store 才是禁用 强缓存

类型	属性	描述
可缓存性	`public`	表明响应可以被任何对象(发送请求的客户端、代理服务器等等)缓存
可缓存性	`private`	私有缓存, 响应只能被单个客户端缓存
可缓存性	`no-cache`	无论本地缓存是否过期, 都需要请求源服务器进行验证(协商缓存验证)
可缓存性	`no-store`	不使用任何缓存
到期时间	`max-age=<seconds>`	设置缓存有效期的最大周期, 超过这个时间缓存被认为过期(单位秒)
到期时间	`s-maxage=<seconds>`	同 `max-age`, 但是仅适用于共享缓存(代理服务器), 生效时会覆盖 `max-age` 或者 `Expires`
到期时间	`max-stale[=<seconds>]`	表明客户端愿意接收一个已经过期的资源, 可以设置一个可选的秒数, 表示缓存允许过期的最大值
到期时间	`min-fresh=<seconds>`	希望在一个指定的秒数内保持资源的最新, 也就是说在设定的时间内获取资源不管缓存有没效, 都需要发起缓存进行验证(协商缓存验证)
到期时间	`stale-while-revalidate=<seconds>`	实验版, 有点类似 `max-stale`, 客户端愿意接收一个已经过期的资源, 同时客户端会在后台异步获取新的资源; 可以设置一个秒数, 表示允许接受陈旧缓存的最大值
到期时间	`stale-if-error=<seconds>`	实验版, 如果新的检查失败, 则客户端愿意接受陈旧的响应, 设置的秒数值表示客户端在初始到期后愿意接受陈旧响应的时间
重新验证或重新加载	`must-revalidate`	如果本地副本未过期, 可以使用本地副本; 否则, 需要请求源服务器进行验证
重新验证或重新加载	`proxy-revalidate`	与 `must-revalidate` 作用相同, 但它仅适用于共享缓存(例如代理服务器), 对于私有缓存(本地缓存)该值会被忽略
重新验证或重新加载	`immutable`	实验版, 表示缓存一直有效, 再也不会发起请求了
其他	`no-transform`	不允许对资源进行转换或转变, `Content-Encoding`、`Content-Range`、`Content-Type` 等 `HTTP` 头允许被代理服务修改
其他	`only-if-cached`	客户端只接受已缓存的响应, 不会进行任何请求, 如果缓存不命中则返回错误

下面我们来测试下, 如下代码是使用 Koa 搭建的一个简单服务:

代码中实现了一个 GET 接口 /api/cache-control
在接口 /api/cache-control 响应体中设置了 Cache-Control 响应头, 值为 public,max-age=120
那么当客户端访问 /api/cache-control 理论上, 请求的响应内容会被任何端缓存起来, 缓存有效期 120s

const Koa = require('koa');
const moment = require('moment');
const cors = require('@koa/cors')
const Router = require('@koa/router');

const app = new Koa();
const router = new Router();

// 跨域设置
app.use(cors({
  maxAge: 5,
  origin: "*",
  credentials: true,
  allowMethods: ['GET', 'POST'],
  allowHeaders: ['Content-Type'],
  exposeHeaders: ['Content-Type'],
}));

// 2. Cache-Control
router.get('/api/cache-control', async (ctx) => {
  ctx.status = 200;
  ctx.body = 111111111;
  ctx.set('Cache-Control', `public,max-age=120`);
});

app.use(router.routes()).use(router.allowedMethods());
app.listen(3000);

1.3 Pragma

Pragma 是一个在 HTTP/1.0 中规定的响应头, 它只有一个属性值, 就是 no-cache, 其效果和 Cache-Control 中的 no-cache 是一致的, 表明不使用强缓存, 需要客户端(浏览器)与服务器验证缓存是否有效, Pragma 在本节的 3 个头部属性中的优先级是最高的

也许你会奇怪为啥有了 Cache-Control 还要整个 Pragma, 这里你需要注意的是 Cache-Control 其实是后面 HTTP/1.1 才出来的, 在 Cache-Control 之前 Pragma 是作为 Expires 的一个补充!!

当然 Pragma 目前主要就是用于向后兼容那些只支持 HTTP/1.0 协议的客户端!!

二、协商缓存

上文几个响应头, 客户端、服务端是通过约定缓存有效时间来决定, 是否 直接 使用本地缓存!! 但是这个方案其实存在很明显的问题:

假设我们约定每次资源缓存的有效时间为 2 分钟
但是呢? 2 分钟内, 如果服务端资源更新了, 按强缓存来, 这时客户端拿到的资源都是缓存内容, 就无法保证资源的最新
同样, 如果服务端资源一直不更新, 那么 2 分钟后, 客户端如果发起请求这时将会重新获取资源, 这就不可避免的造成资源的浪费

那么要想解决上面这个问题, 就可以使用 协商缓存, 其实所谓 协商缓存 就是客户端(浏览器)在请求资源时先向服务端进行 协商: 客户端(浏览器)向服务端询问本地缓存的资源是否是最新的

如果本地缓存的资源 未过期, 那么服务端就会将请求状态码设置为 304(Not Modified), 这时请求不会返回任何 body, 客户端(浏览器)将直接使用本地缓存
如果本地缓存已过期, 那么服务端正常处理请求, 状态码设置为 200, 这时的 body 将是完整的资源内容

那么服务端如何判断客户端本地的缓存不是最新的呢? 它们之间又是怎么协调的呢?

2.1 Last-Modified / If-Modified-Since

第一个方案其实就是根据 资源最后修改时间 来进行判断:

当客户端首次请求资源时, 服务端会把资源的最后修改时间放到 Last-Modified 响应头中(浏览器自动将 Last-Modified 也缓存起来)
当客户端再次请求资源时, 浏览器会通过 If-Modified-Since 请求头, 将本地缓存资源对应最后修改时间带上(这个是浏览器自己的行为, 不需要我们认为去处理)
服务端就可以根据 If-Modified-Since 来判断客户端(浏览器)的资源是否是最新的
如果是客户缓存的资源是最新的, 则 body 直接返回空, 同时将状态码改为 304(Not Modified)
否则按首次请求资源处理, 状态码为 200, body 为请求的资源内容

下面使用 Koa 搭建的一个简单服务:

在接口中我们将客户端请求头中的 if-modified-since 和当前的 Last-Modified 进行比较
如果相同, 则表示客户端的资源是最新的, 则不返回任何内容(body 为空), 让客户端直接使用缓存(状态码设置为 304)
如果不相同, 则表示客户端的资源不是最新的, 则正常返回内容(状态码为 200, body 为当前资源内容), 当然这时还需要带上 Last-Modified

const Koa = require('koa');
const moment = require('moment');
const cors = require('@koa/cors')
const Router = require('@koa/router');

const app = new Koa();
const router = new Router();

// 跨域设置
app.use(cors({
  maxAge: 5,
  origin: "*",
  credentials: true,
  allowMethods: ['GET', 'POST'],
  allowHeaders: ['Content-Type'],
  exposeHeaders: ['Content-Type'],
}));

// 4. Last-Modified / If-Modified-Since
const lastModified = 'Thu, 09 Nov 2023 06:37:41 GMT'
router.get('/api/last-modified', async (ctx) => {
  // 客户端本地缓存最新更改时间和当前的一致 => 让客户端直接使用缓存吧
  if (ctx.request.header['if-modified-since'] === lastModified) {
    ctx.status = 304;
    ctx.body = '2222'
  } else {
    // 返回最新内容
    ctx.status = 200;
    ctx.body = '111111111'
  }

  ctx.set('Last-Modified', lastModified);
  ctx.set('Cache-Control', 'no-cache');
});

app.use(router.routes()).use(router.allowedMethods());

app.listen(3000);

这里有个奇怪的现象, 第二次请求时, 服务器实际上设置的状态码为 304, body 内容为 2222, 但是在 chrome 中查看的话会发现展示出来的状态码为 200, body 为缓存的数据!!

猜测: chrome 针对本地存在缓存的 304 接口做了处理, 这里有一篇文章可供参考《为什么Chrome开发工具显示200状态代码而不是 304? 》, 具体原因就不细究了…

2.2 ETag / If-None-Match

「根据最后修改时间, 来判定客户端缓存是否是最新的资源」这个依据在大部分情况应该是有效的!! 但是也避免不了一种情况就是, 资源更新时间变了, 但是呢内容和之前却是一样的(比如项目重新打包、资源修改一版又撤销回去…)

这种情况下, 我们就可以使用 ETag 来判断资源是否有效!!! ETag 作为资源内容的唯一标记被使用, 它可以是资源内容对应的一个唯一 ID, 也可以是根据资源文件内容生成的一个 MD5, 总之它代表的当前资源的一个唯一值!!

ETag 在服务端和客户端之前的工作流程和 Last-Modified 基本一致:

当客户端首次请求资源时, 服务端会把当前资源对应唯一标记放到 ETag 响应头中(浏览器会将 ETag 也缓存起来)
当客户端再次请求资源时, 浏览器会通过 If-None-Match 请求头, 将本地缓存资源对应的 ETag 带上(浏览器自己的行为)
服务端就可以根据 If-None-Match 以及当前资源的 ETag 来判断客户端(浏览器)的资源是否是最新的
如果客户缓存的资源是最新的, 则 body 直接返回空, 同时将状态码改为 304(Not Modified)
否则按首次请求资源处理, 同时带上 ETag

下面使用 Koa 搭建的一个简单服务:

在接口中我们将客户端请求头中的 if-none-match 和当前的 ETag 进行比较
如果相同, 则表示客户端的资源是最新的, 则不返回任何内容(body 为空), 让客户端直接使用缓存(状态码设置为 304)
如果不相同, 则表示客户端的资源不是最新的, 则正常返回内容(状态码为 200, body 为当前资源内容), 当然这时还需要带上 ETag

const Koa = require('koa');
const moment = require('moment');
const cors = require('@koa/cors')
const Router = require('@koa/router');

const app = new Koa();
const router = new Router();

// 跨域设置
app.use(cors({
  maxAge: 5,
  origin: "*",
  credentials: true,
  allowMethods: ['GET', 'POST'],
  allowHeaders: ['Content-Type'],
  exposeHeaders: ['Content-Type'],
}));

// 5. ETag / If-None-Match
const ETag = '33a64df551425fcc55e4d42a148795d9f25f89d4'
router.get('/api/etag', async (ctx) => {
  // 客户端本地缓存最新 ETag 和当前的一致 => 让客户端直接使用缓存吧
  if (ctx.request.header['if-none-match'] === ETag) {
    ctx.status = 304;
    ctx.body = '2222'
  } else {
    // 返回最新内容
    ctx.status = 200;
    ctx.body = '111111111'
  }

  ctx.set('ETag', ETag);
  ctx.set('Cache-Control', 'no-cache');
});

app.use(router.routes()).use(router.allowedMethods());

app.listen(3000);

同上文, 如果本地缓存有效, 并且服务端状态码为 304, chrome 展示状态码也只会是 200, 内容为缓存的内容

2.3 补充: If-Unmodified-Since / If-Match

上文提到的几个消息头, 都只是在获取资源(get 请求)情况下生效!! If-Unmodified-Since 和 If-Match 则是在修改内容的情况下生效, 比如 post、put、remove 等请求:

当客户端(浏览器)发起请求试图修改资源时, 可以携带上 If-Unmodified-Since(本地资源对应 Last-Modified) 或 If-Match(本地资源 ETag)
服务端通过请求头中的 If-Unmodified-Since 或 If-Match 来判断服务端资源是否已经被修改过(当前本地资源是否是最新的)
如果服务端的资源已经被修改过, 那么服务端直接返回 412 (Precondition Failed) 错误, 不处理本次请求
相反, 则返回 200! 正常处理请求

三、优先级

首先强缓存优先级大于协商缓存, 只有在强缓存失效情况下, 然后才会和服务端建立连接进行协商
强缓存中: Pragma > Cache-Control > Expires
协商缓存中: ETag > Last-Modified, 因为 ETag 更为精准