缓存的基本原理

在一个C/S结构中，最基本的缓存分为两种：

  • 客户端缓存
  • 服务器缓存

本文仅讨论客户端缓存

所谓客户端缓存，顾名思义，是将某一次的响应结果保存在客户端（比如浏览器）中，而后续的请求仅需要从缓存中读取即可，极大的降低了服务器的处理压力。

客户端缓存的原理如下：

这只是一个简易的原理图，实际情况可能有差异

这里就设计到一个缓存策略的问题，这些问题包括：

  • 哪些资源需要加入到缓存，哪些不需要？
  • 缓存的时间是多久呢？
  • 如果服务器的资源有改动，客户端如何更新缓存呢？
  • 如果缓存过期了，可是服务器上的资源并没有发生变动，又该如何处理呢？
  • …

要回答这些问题，就必须要清楚http中关于缓存的协议

来自服务器的缓存指令

当客户端发出一个get请求到服务器，服务器可能有以下的内心活动：「你请求的这个资源，我很少会改动它，干脆你把它缓存起来吧，以后就不要来烦我了」

为了表达这个美好的愿望，服务器在响应头中加入了以下内容：

Cache-Control: max-age=3600ETag: W/"121-171ca289ebf"Date: Thu, 30 Apr 2020 12:39:56 GMTLast-Modified: Thu, 30 Apr 2020 08:16:31 GMT

这个响应头表达了下面的信息：

  • Cache-Control: max-age=3600，我希望你把这个资源缓存起来，缓存时间是3600秒（1小时）
  • ETag: W/"121-171ca289ebf"，这个资源的编号是W/"121-171ca289ebf"
  • Date: Thu, 30 Apr 2020 12:39:56 GMT，我给你响应这个资源的服务器时间是格林威治时间2020-04-30 12:39:56
  • Last-Modified: Thu, 30 Apr 2020 08:16:31 GMT，这个资源的上一次修改时间是格林威治时间2020-04-30 08:16:31

这个美好的缓存愿望，就这样通过响应头传递给客户端了

并不是所有的应用都支持这种格式的响应头。需要了解应用对响应头的支持情况。如果不支持，可能就会不缓存任何东西

浏览器对 http 支持是比较友好的，所以我们以浏览器为准介绍客户端缓存

浏览器和服务器一直以来都是相亲相爱的小伙伴，当它看到服务器的这个响应头会自动的进行一些处理

  • 浏览器把这次请求得到的响应体缓存到本地文件中
  • 浏览器标记这次请求的请求方法和请求路径
  • 浏览器标记这次缓存的时间是3600秒
  • 浏览器记录服务器的响应时间是格林威治时间2020-04-30 12:39:56
  • 浏览器记录服务器给予的资源编号W/"121-171ca289ebf"
  • 浏览器记录资源的上一次修改时间是格林威治时间2020-04-30 08:16:31

这一次的记录非常重要，它为以后浏览器要不要去请求服务器提供了各种依据。

来自客户端的缓存指令

当客户端准备再次请求GET /index.js时，它突然想起了一件事：我需要的东西在不在缓存里呢？

此时，客户端会到缓存中去寻找是否有缓存的资源

寻找的过程如下：

  1. 缓存中是否有匹配的请求方法和路径？
  2. 如果有，该缓存资源是否还有效呢？

以上两个验证会导致浏览器产生不同的行为

要验证是否有匹配的缓存非常简单，只需要验证当前的请求方法GET和当前的请求路径/index.js是否有对应的缓存存在即可

如果没有，就直接请求服务器，就和第一次请求服务器时一样，这种情况没有什么好讨论的

关键在于验证缓存是否有效

如何验证呢？

非常简单，就是把max-age + Date，得到一个过期时间，看看这个过期时间是否大于当前时间，如果是，则表示缓存还没有过期，仍然有效，如果不是，则表示缓存失效。

缓存有效

当浏览器发现缓存有效时，完全不会请求服务器，直接使用缓存即可得到结果

此时，如果你断开网络，会发现资源仍然可用

这种情况会极大的降低服务器压力，但当服务器更改了资源后，浏览器是不知道的，只要缓存有效，它就会直接使用缓存

缓存无效

当浏览器发现缓存已经过期，它并不会简单的把缓存删除，而是抱着一丝希望，想问问服务器，我这个缓存还能继续使用吗？

于是，浏览器向服务器发出了一个带缓存的请求

所谓带缓存的请求，无非就是加入了以下的请求头：

If-Modified-Since: Thu, 30 Apr 2020 08:16:31 GMTIf-None-Match: W/"121-171ca289ebf"

它们表达了下面的信息：

  • If-Modified-Since: Thu, 30 Apr 2020 08:16:31 GMT，亲，你曾经告诉我，这个资源的上一次修改时间是格林威治时间2020-04-30 08:16:31，请问这个资源在这个时间之后有发生变动吗？
  • If-None-Match: W/"121-171ca289ebf"，亲，你曾经告诉我，这个资源的编号是W/"121-171ca289ebf，请问这个资源的编号发生变动了吗？

其实，这两个问题可以合并为一个问题：资源到底变了没有！

之所以要发两个信息，是为了兼容不同的服务器，因为有些服务器只认If-Modified-Since，有些服务器只认If-None-Match，有些服务器两个都认

目前的很多服务器，只要发现If-None-Match存在，就不会去看“If-Modified-Since`

If-Modified-Since是http1.0版本的规范，If-None-Match是http1.1的规范

此时，问题又抛给了服务器，接下来，就是服务器的表演时间了

服务器可能会产生两个情况：

  • 缓存已经失效
  • 缓存仍然有效

如果是第一种情况——缓存已经失效，那么非常简单，服务器再次给予一个正常的响应（响应码200 带响应体），同时可以附带上新的缓存指令，这就回到了上一节——来自服务器的缓存指令

这样一来，客户端就会重新缓存新的内容

但如果服务器觉得缓存仍然有效，它可以通过一种极其简单的方式告诉客户端：

  • 响应码为304 Not Modified
  • 无响应体
  • 响应头带上新的缓存指令，见上一节——来自服务器的缓存指令

这样一来，就相当于告诉客户端：「你的缓存资源仍然可用，我给你一个新的缓存时间，你那边更新一下就可以了」

于是，客户端就继续使用缓存了

这样一来，可以最大程度的减少网络传输，因为如果资源还有效，服务器就不会传输消息体

它们完整的交互过程如下：

细节

上面描述了客户端缓存的基本概念和过程

但其中仍然有不少细节值得我们注意

Cache-Control

在上述的讲解中，Cache-Control是服务器向客户端响应的一个消息头，它提供了一个max-age用于指定缓存时间。

实际上，Cache-Control还可以设置下面一个或多个值：

  • public：指示服务器资源是公开的。比如有一个页面资源，所有人看到的都是一样的。这个值对于浏览器而言没有什么意义，但可能在某些场景可能有用。本着「我告知，你随意」的原则，http协议中很多时候都是客户端或服务器告诉另一端详细的信息，至于另一端用不用，完全看它自己。
  • private：指示服务器资源是私有的。比如有一个页面资源，每个用户看到的都不一样。这个值对于浏览器而言没有什么意义，但可能在某些场景可能有用。本着「我告知，你随意」的原则，http协议中很多时候都是客户端或服务器告诉另一端详细的信息，至于另一端用不用，完全看它自己。
  • no-cache：告知客户端，你可以缓存这个资源，但是不要直接使用它。当你缓存之后，后续的每一次请求都需要附带缓存指令，让服务器告诉你这个资源有没有过期。见：「来自客户端的缓存指令 – 缓存无效」
  • no-store：告知客户端，不要对这个资源做任何的缓存，之后的每一次请求都按照正常的普通请求进行。若设置了这个值，浏览器将不会对该资源做出任何的缓存处理。
  • max-age：不再赘述

比如，Cache-Control: public, max-age=3600表示这是一个公开资源，请缓存1个小时。

Expire

在http1.0版本中，是通过Expire响应头来指定过期时间点的，例如：

Expire: Thu, 30 Apr 2020 23:38:38 GMT

到了http1.1版本，已更改为通过Cache-Control的max-age来记录了。

记录缓存时的有效期

浏览器会按照服务器响应头的要求，自动记录缓存到本地文件，并设置各种相关信息

在这些信息中，有效期尤为关键，它决定了这个缓存可以使用多久

浏览器会根据服务器不同的响应情况，设置不同的有效期

具体的有效期设置，按照下面的流程进行：

例如，当max-age设置为0时，缓存立即过期

虽然立即过期，但缓存仍然被记录下来，后续的请求通过缓存指令发送到服务器，来确认资源是否被更改。

因此，Cache-Control: max-age=0类似于Cache-Control: no-cache

Pragma

这是http1.0版本的消息头

当该消息头出现在请求中时，是向服务器表达：不要考虑任何缓存，给我一个正常的结果。

在http1.1版本中，可以在请求头中加入Cache-Control: no-cache实现同样的含义。

是的，Cache-Control可以出现在请求头中

在Chrome浏览器中调试时，如果勾选了Disable cache，则发送的请求中会附带该信息

Vary

有的时候，是否有缓存，不仅仅是判断请求方法和请求路径是否匹配，可能还要判断头部信息是否匹配。

此时，就可以使用Vary字段来指定要区分的消息头

比如，当使用GET /personal.html请求服务器时，请求头中cookie的值不一样，得到的页面也不一样

如果还按照之前的做法，仅仅匹配请求方法和请求路径，如果cookie变动，你可能得到的仍然是之前的页面。

正确的做法如下：

使用版本号或hash

如果你是一个前端工程师，使用过vue或其他基于webpack搭建的工程

你会发现打包的结果中很多文件名类似于这样：

app.68297cd8.css

文件的中间部分使用了hash值

这样做的好处是，可以让客户端大胆的、长时间的缓存该文件，减轻服务器的压力

当文件改动后，它的文件hash值也会随之而变，比如变成了app.446fccb8.css

这样一来，客户端要请求新的文件时，就会发现路径从/app.68297cd8.css变成了app.446fccb8.css，由于之前的缓存路径无法匹配到，因此就会发送新的请求来获取新资源了。

以上是现代流行的做法。

而在古老的年代，还没有构建工具出现时，人们使用的办法是在资源路径后面加入版本号来获取新版本的文件

比如，页面中引入了一个css资源app.css，它可能的引入方式是：

<link href="/app.css" />">

这样一来，缓存的路径是/app.css?v=1.0.0

当服务器的版本发生变化时，可以给予新的版本号，让html中的路径发生变动

<link href="/app.css?v=1.0.1">

由于新的路径无法命中缓存，于是浏览器就会发送新的普通请求来获取这个资源

总结

最后，通过客户端和服务器两位大佬的视角，来总结一下以上内容

服务器视角

服务器无法知道客户端到底有没有像浏览器那样缓存文件，它只管根据请求的情况来决定如何响应

很多后端语言搭建的服务器都会自带自己的默认缓存规则，当然也支持不同程度的修改

浏览器视角

浏览器在发出请求时会判断要不要使用缓存

当收到服务器响应时，会自动根据缓存指令进行处理