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理解浏览器缓存

缓存是一种将数据保存在本地，在下一次需要使用它时，无需从数据的源头而是直接本地读取的一种技术。在http中，缓存是非常重要的组成部分。

意义

http 是一种请求->响应的半双工通讯协议，网页的 html 文档以及内部的每一张图片、javascript 脚本文本、css 样式文件等资源都需要向服务器发出请求，然后得到所需资源的响应。

如果没有浏览器缓存

从向服务器发起 TCP 连接请求，到服务器磁盘 IO，计算到响应传输整个过程，对网络带宽，服务器性能都是不小的考验。而一个页面往往会有少则十几，多则几十上百的请求，如果每一个资源都从服务端获取，在并发的情况下会给服务器带来很大的压力。

加入缓存后，如果客户端没有资源，会从服务端获取，取得资源后同时存在本地。下一次请求时如果有有效缓存则取缓存，由于不会向服务器发起请求，可以减少服务器的压力，同时从本地读取，不会占用网络带宽，速度也是极快的。

那么 HTTP 协议是怎么控制缓存的呢？

缓存前提

资源标志

浏览器会把请求的类型Method（通常来说我们只缓存get的请求）和URI完整地址作为一个资源的标志。

例如下面这些浏览器都会认为是不同资源，后者并不会匹配前者的缓存。

https://xxxx/a.js 和 http://xxxx/a.js
http://xxxx/a.js 和 http://yyyy/a.js
http://xxxx/a.js?v=1 和 http://xxxx/a.js
http://xxxx/a.js?v=1 和 http://xxxx/a.js?v=2

当然上面任意一个请求，如果采取不同的Method获取响应，那么也会视为不同的资源。

条件

并不是所有请求都需要缓存，例如提交一个表单，缓存这种请求返回的数据显然是没有意义的。一般来说，只有这些情况才需要采取缓存。

类型为get响应的状态码为 200 的请求，即成功获取数据的请求，例如文档，图片，js 文件等。
永久重定向: 响应状态码：301。
错误响应: 响应状态码：404 的一个页面。
不完全的响应: 响应状态码 206，只返回局部的信息。

测试

我们建一个最简单的 nodejs web 服务来对缓存进行试验。

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- app.js // nodejs web服务
- index.html // html文件
- index.js // html文件内引入的js文件，作为测试缓存的文件

1 2	document.write('hello world');

// app.js

const http = require('http');
const fs = require('fs');

const server = http.createServer((req, res) => {
  // 通过log来判断服务器是否接受了请求
  console.log(new Date(), 'Requset reached', req.url);
  if (req.url.startsWith('/index.js')) {
    // 在这里插入缓存头部来验证
    // res.setHeader('x','x');
    res.setHeader('Content-Type', 'application/javascript');
    res.write(fs.readFileSync('index.js'));
  } else if (req.url === '/') {
    res.write(fs.readFileSync('index.html'));
  } else {
    res.statusCode = 404;
  }

  res.end();
});

server.listen('8088', () => {
  console.log('Listen on http://localhost:8088');
});

测试环境：Chrome 76

缓存控制

浏览器对缓存的控制主要是通过 Http 请求和响应的一些特定头部来实现的。

在浏览器环境下，通常我们不需要在请求中配置缓存头，因为浏览器会根据 Http 协议的规范自动进行设置。缓存的配置更多是依赖于服务端的响应。

`Cache-Control`

Cache-Control顾名思义就是缓存控制，请求头和响应头都支持这个属性。它有以下这些值

`no-store`

浏览器不会缓存服务器返回的任何内容，也就是说每一次请求必然是重新从服务器获取，相当于禁用了缓存。

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// ...
res.setHeader('Cache-Control', 'no-store');
/// ...

每次浏览器都会发现，index.js是从服务端重新拉取的。

即使设置了 Etag，浏览器也会忽略，也不会发送If-None-Match，后面我们会讲到。

`no-cache`

no-cache并不是不存储和读取缓存，而是有条件的读取缓存，和no-store纯粹的不存缓存还是有很大区别的。此方式下，每次有请求发出时，缓存会将此请求发到服务器（该请求应该会带有与本地缓存相关的验证字段，如Etag），服务器端会验证请求中所描述的缓存是否过期，若未过期则返回 304，这时缓存才会使用本地缓存副本。

具体细节后续和 Etag 一起说

`max-age=<seconds>`

max-age 用于设置缓存的有效时间，单位是秒。

如我们设置缓存有效时间为 10 秒。

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// ...
res.setHeader('Cache-Control', '10');
/// ...

当我们在 10 秒内重复刷新页面，会看到如下结果

max-age只是有效时间长，也就是说它需要有一个时间作为起始时间。即有效时间+起始时间=过期时间，而这个起始时间是响应头内的Date字段

默认Date是 nodejs 服务自动设置的，我们魔改一下来测试对缓存的影响。

1 2	res.setHeader('Cache-Control', 'max-age=10'); res.setHeader('Date', new Date(1980, 0, 1));

设置后会发现浏览器将始终从服务器获取，不会读取缓存。

s-maxage

和max-age类似，但是仅适用于共享缓存(比如各个代理)，私有缓存会忽略它。

max-stale

表示设置的max-age到期后，客户端能接受过期缓存的最长时间，单位也是秒。这个是请求头上设置的，响应头设置此属性无效。

假设有一台代理缓存服务器，某个资源在10月1号设置了缓存，过期时间10月3日（3天）。后续请求会有以下情况

请求头设置了max-age为3天，max-stale没设置。那么过期时间则为10月4日，由于缓存服务器的过期时间更早，所以仍然是10月3日过期。
请求头设置了max-age为1天，max-stale没设置。那么过期时间则为10月2日，由于早于缓存服务器的过期时间，所以在10月2日以后请求会重新验证。
请求头设置了max-age为3天，max-stale为2天。那么过期时间则为10月4日，过期有效期为10月5日，此时缓存服务器会取更小的时间10月4号为过期时间。
请求头设置了max-age为5天，max-stale为2天。那么过期时间则为10月6日，过期有效期为10月5日，此时缓存服务器会取更小的时间10月5号为过期时间。

代理缓存服务器常常会处理请求头中的Cache-Control。

public

表明响应可以被任何对象（包括：发送请求的客户端，代理服务器，等等）缓存，即使是通常不可缓存的内容（例如，该响应没有 max-age 指令或 Expires 消息头）。

private

表明响应只能被当前的发起请求的设备缓存，不能作为共享缓存（即中间的大专栏理解浏览器缓存代理服务器不能缓存它）。

这个是cache-control未显式设置时的默认值

public 和 private 仅用于告诉代理服务器是否缓存，具体的缓存有效期和校验与此无关。

must-revalidate

缓存过期后，必须向服务器发送验证才能使用后续的响应。

经过我们的测试，max-age设置的时间到期后，浏览器就会发送If-Modified-Since和If-None-Match等校验头部对缓存进行校验。也就是说这个属性可以理解为默认开启的。

proxy-revalidate

与must-revalidate作用相同，但它仅适用于共享缓存（例如代理），并被私有缓存忽略。

分类和组合

按类型我们可以将Cache-Control的值分为以下几种类型

可缓存性 public 、private、no-cache、no-store
到期 max-age、s-maxage、max-stale、min-fresh
重新验证和重新加载 must-revalidate、proxy-revalidate

可以用,号隔开同时设置多个值。

1	res.setHeader('Cache-Control', 'public, max-age=10');

`Expires`

Expires设置了资源的过期时间（GMT 字符串），超过这个时间了缓存就会过期。

GMT 字符串可以通过 Date.proptotype.toUTCString 方法获取。

`Pragma`

Pragma是Http1.0用于多种用途一个头，如果在响应中设置成no-cache和cache-control: no-cache效果一样。

Pragma 是HTTP/1.0标准中定义的一个header属性，请求中包含Pragma的效果跟在头信息中定义Cache-Control: no-cache相同，但是HTTP的响应头没有明确定义这个属性的功能，所以它不能拿来完全替代HTTP/1.1中定义的Cache-control头。通常定义Pragma以向后兼容基于HTTP/1.0的客户端。 -MDN

缓存校验

cache-control的验证是在浏览器本地验证的，当缓存超过了max-age设置的时间，却并不能说明这个文件已经在服务器上更新。为了应对这种情况，http 提供了一些的缓存校验方式。

304 状态码

304 Not Modified指当服务器对缓存进行校验后，发现资源没有发生更改返回的状态码，这时服务器不会返回资源，客户端收到此状态码应该从本地取缓存。

`Last-Modified` 和 `If-Modified-Since`

Last-Modified代表资源的最后修改时间（GMT 字符串）,由服务器设置在响应头中。

If-Modified-Since由客户端在请求资源时设置在请求头中，值为上一次返回头上的Last-Modified。

所以这 2 个是配套使用的，如果服务器响应时设置了Last-Modified，那么下一次客户端请求时就会在响应头上设置If-Modified-Since，服务器可以通过这个时间与当前资源的最后编辑修改时间做对比（常用于静态文件），从而判断是否需要更新。

我们通过 demo 测试

// 已注释其他缓存头
res.setHeader('Cache-Control', 'no-cache');

const mtime = fs.statSync('index.js').mtime.toUTCString();
res.setHeader('Last-Modified', fs.statSync('index.js').mtime.toUTCString());

if (req.headers['if-modified-since'] === mtime) {
  res.statusCode = 304;
} else {
  res.write(fs.readFileSync('index.js'));
}

这是第一次请求，获取了Etag

这是第二次请求

需要注意的是，如果响应头没有设置cache-control或者expires，那么浏览器会把(Date - Last-Modified) / 10的时间作为缓存的有效时间，相当于设置了cache-control，在有效期内也就不会往服务端发送请求校验了。

我们去掉上面的res.setHeader('Cache-Control', 'no-cache');运行后结果如下

下一次请求

通过比较 Expires 的值和头里面 Date 属性的值来判断是否缓存还有效。如果 max-age 和 expires 属性都没有，找找头里的 Last-Modified 信息。如果有，缓存的寿命就等于头里面 Date 的值减去 Last-Modified 的值除以 10（注：根据 rfc2626 其实也就是乘以 10%） - MDN

Etag

由于 GMT 的精确度只能达到秒级，在同一秒内的修改会导致校验通过。所以如果我们想要获取文件的精确到字节的修改，就需要借助Etag了。

Etag是资源的标记符字符串，可以通过任意的算法生成的不限长度字符串，比如 hash，修改的时间戳，版本号都可以。如果想要精确校验，需要当修改资源的某个字节时，算法能保证生成和之前不同的值。

与Last-Modified类似，客户端在请求时会将上一次资源的Etag值通过If-None-Match头（如果有的话）发送给服务端，服务端通过与重新计算的Etag值做对比，如果相同返回 304，不同返回新的资源。当然如果有变化返回都必须设置新的Etag头部作为下一次请求的值。

经测试，如果即使后续的响应不设置 Etag，只要客户端缓存版本存在 Etag，也会发送If-None-Match

我们通过 demo 进行测试

// 已注释其他缓存头

const hash = 'aaaaaaaaaaaaaa';

res.setHeader('Etag', hash);

if (req.headers['if-none-match'] === hash) {
  res.statusCode = 304;
} else {
  res.write(fs.readFileSync('index.js'));
}

这是第一次请求，响应设置了Etag

这是第二次请求，请求设置了If-None-Match，响应了 304

Vary

Vary是一个响应的头部，他的值是请求头的一个名称，用来作为下一次浏览器判断是否使用当前缓存的依据。

例如，某个资源的响应设置了Vary: User-Agent，当下一次发起请求时，如果当前的请求头的User-Agent和上一次缓存资源请求的User-Agent不同，则不会取这一次的缓存。

那这个有什么用处呢？我们都知道资源是通过 url 地址进行标记的，但是客户端的形态是多样的，有移动端，桌面端，手机端等。如果我们需要在同一个 url 针对不同设备返回不同数据，在使用如 CDN 之类的缓存服务器时，如果不设置Vary头的，缓存服务器会将不会按客户端类似区分，这样可能会导致缓存服务器发送给客户端的缓存不正确。

同时设置Vary头也可以帮助搜索引擎更好的缓存不同类似客户端的页面。

测试

我们可以通过 Chrome 调试工具的Toggle Device功能进行测试。

修改代码设置响应的Vary为用户代理字符串(User-Agent)，并设置缓存有效期为 1000 秒。

/** Vary */
res.setHeader('Vary', 'User-Agent');

/** cache-control */
res.setHeader('Cache-Control', 'max-age=1000');
res.write(fs.readFileSync('index.js'));

选择设备为 iphone，第一次请求如下。

如果我们不切换设备，继续下一次请求，max-age设置的时间未过期，所以取了缓存。

现在我们将设备切换成 ipad，再次请求。由于设备变化导致user-agent变化，浏览器并没有从缓存获取资源，即使现在还远远没到过期时间。

如果 Vary 设置成 *，代理服务器将永远不会缓存，相当于设置 max-age: private。

优先级策略

上面介绍了一堆缓存的控制的方法，但它们并不是各自为政的，如果同时使用，得有个优先级才行。

缓存控制的优先级为

1	Expires < Cache-Control < Pragma

当需要缓存需要验证时，校验方式的优先级取决于代码的执行顺序。

参考文献

MDN
DEMO

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