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深入浅出从根上理解 HTTP 缓存机制及原理!

为什么被缓存,如何命中缓存以及缓存什么时候生效的,我们却很少在实际开发中去了解。今天小鹿借助动画形式来从根上理解 HTTP 缓存机制及原理。

作者:小鹿来源:小鹿动画学编程|2020-07-29 10:10

HTTP 缓存,对于前端的性能优化方面来讲,是非常关键的,从缓存中读取数据和直接向服务器请求数据,完全就是一个在天上,一个在地下。

我们最熟悉的是 HTTP 服务器响应返回状态码 304,304 代表表示告诉浏览器,本地有缓存数据,可直接从本地获取,无需从服务器获取浪费时间。

至于为什么被缓存,如何命中缓存以及缓存什么时候生效的,我们却很少在实际开发中去了解。今天小鹿借助动画形式来从根上理解 HTTP 缓存机制及原理。

为什么会有缓存?

单纯的从计算机角度去说,比较抽象,咱们看一个实际的例子。比如,我们通常喜欢把没看完的书放在书架上,而看完以及没有看的书放在箱子中保存。

如果我们把所有的书保存在箱子中,每次看书都要去箱子中找,所以非常麻烦和耗时(这里的箱子,可以想象成服务器)。

当我们开始看新书时,第一次从箱子中取出,看了一半,然后我们直接放到书架上,当下次再看书的时候,直接从书架中取出,这里的书架,就是我们下边要讲到的缓存(一个缓存仓库)。

缓存的“龟”则

当浏览器发出请求到数据请求回来的过程,就像是上述中的取书过程。

浏览器在加载资源时,根据请求头的Expires 和 Cache-control 判断是否命中强缓存,是则直接从缓存读取资源,不会发请求到服务器。

如果没有命中强缓存,浏览器一定会发送一个请求到服务器,通过 Last-Modified 和 Etag 验证资源是否命中协商缓存,如果命中,服务器会将这个请求返回,但是不会返回这个资源的数据,依然是从缓存中读取资源。

如果前面两者都没有命中,直接从服务器加载资源。

动画演示

HTTP 缓存分类

上述讲到,HTTP 是有“龟”则的,根据浏览器是否向服务器发起请求来分为强缓存和协商缓存。

1. 强缓存

强缓存的意思就是不向服务器发起请求的缓存,也就是本地强制缓存。浏览器想要获取特定数据的时候,首先会检查一下本地的缓存是否存在该数据,如果存在,就直接在本地获取了,如果不存在,就向服务器所要该数据。

详细请求过程如下动画所示:


那么问题来了,如果我们想使用强缓存,那怎么判断缓存数据什么时候失效呢?

当浏览器向服务器请求数据的时候,服务器会将数据和缓存的规则返回,在响应头的 header 中,有两个字段 Expires和Cache-Control。

(1) Expires

  1. expires: Wed, 11 Sep 2019 16:12:18 GMT 

在响应头中 Expires 字段的意思是,当前返回数据的缓存到期时间戳。当浏览器在进行请求的时候,会那浏览器本地的时候和这个时间做对比,判断资源是否过期。

但是上述存在一个问题就是,如果我手动改变了电脑的时间,那么就会出现问题,这也是 HTTP1.0 中存在的问题。

(2) Cache-Control

为了解决这个问题,在 HTTP1.1 中增加了 Cache-Control 这个字段。

  1. Cache-Control:max-age=7200 

服务器和客户端说,这个资源缓存只可以存在 7200 秒,在这个时间段之内,你就可以在缓存获取资源。

如果 Expire 和 Cache-control 两者同时出现,则以 Cache-control 为主

除此之外,cache-control 还有其他字段可以使用。

  1. cache-control: max-age=3600s-maxage=31536000 
  • Public:只要为资源设置了 public,那么它既可以被浏览器缓存,也可以被代理服务器缓存;
  • Private(默认值):则该资源只能被浏览器缓存。
  • no-store:不使用任何缓存,直接向服务器发起请求。
  • no-cache:绕开浏览器缓存(每次发起请求不会询问浏览器缓存),而是直接向服务器确认该缓存是够过期。

2. 协商缓存

浏览器第一次请求数据时,服务器会将缓存标识与数据一起返回给客户端,客户端将二者备份至缓存数据库中。

再次请求数据时,客户端将备份的缓存标识发送给服务器,服务器根据缓存标识进行判断,判断成功后,返回304状态码,通知客户端比较成功,可以使用缓存数据。



  1. // 命中缓存的响应字段 
  2. Request Method:GET 
  3. Status Code: 304 Not Modified 

怎么来识别协商缓存的?主要通过报文头部 header 中的Last-Modified,If-Modified-Since 以及ETag、If-None-Match 字段来进行识别。

(1) Last-Modified

Last-Modified 字段的意思是服务器资源的最后修改时间。第一次请求服务器,服务器的头部字段可增加这个字段,用于设置协商缓存。

  1. Last-Modified: Fri, 27 Oct 2017 06:35:57 GMT 

当浏览器再次发起请求的时候,首部字段增加 If-Modified-Since 本地时间戳字段发给服务器。

  1. If-Modified-Since: Fri, 27 Oct 2017 06:35:57 GMT 

服务端接收到请求之后,就拿 If-Modified-Since 字段值和本身的过期时间对比。

如果请求头中的这个值小于最后修改时间,返回的 304 响应,让其在本地浏览器缓存取出数据。如果时间过期,并在 Response Headers中添加新的 Last-Modified 值返回给浏览器。

但是 Last-Modified 存在一个局限性,有以下两种情况:

  • 不该请求,还会请求。编辑了文件,文件内容没有变,但是服务器确认为我们改动了文件,所以重新设置了缓存时间,当做新请求返回给浏览器。
  • 该请求,反而没有请求。修改文件速度很快,快过 If-Modified-Since 字段时间差的检测,文件虽然改动了,但是并没有重新生成新的资源。

(2) ETag

ETag 代表的意思是标识字符串。由于上述 Last-Modified 字段存在的缺陷,所以在 HTTP / 1.1 我们对资源进行内容编码,只要内容被改变,这个编码就不同。

和上述请求原理一样,浏览器首次发起请求,然后服务器在响应头返回一个标识字符串。

  1. ETag: W/"2a3b-1602480f459" 

浏览器再次发起请求,携带一个值相同的字符串。

  1. If-None-Match: W/"2a3b-1602480f459" 

服务端接收到该字符串就会作对比,如果相同,则让其读取本地缓存,否则,将新的资源返回给浏览器端。

缓存位置

缓存的位置按照获取资源请求优先级,缓存位置依次如下:

  • Memory Cache(内存缓存)
  • Service Worker(离线缓存)
  • Disk Cache(磁盘缓存)
  • Push Cache(推送缓存)

(1) Memory Cache

Memory 为内存缓存,是浏览器最先尝试命中的缓存,也是响应最快的缓存。但是存活时间最短的,当进程结束后,tab 标签关闭后,缓存就不存在了。

因为内存空间比较小,通常较小的资源放在内存缓存中,比如 base64 图片等资源。

(2) Service Worker

Service Worker 是一种独立于主线程之外的 Javascript 线程。它脱离于浏览器窗体,因此无法直接访问 DOM。

可以帮我们实现离线缓存、消息推送和网络代理等功能。

(3) Disk Cache

内存的优先性,导致大文件不能缓存到内存中,那么磁盘缓存则不同。虽然存储效率比内存缓存慢,但是存储容量和存储市场有优势。

(4) Push Cache

它是最后一道缓存命中,属于 HTTP2 的内容。如果感兴趣的同学,可以先去了解了解。

【责任编辑:赵宁宁 TEL:(010)68476606】

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