缓存机制

缓存定义

用于存储数据的硬件或软件的组成部分，以使得后续更快访问相应的数据

缓存中的数据可能是提前计算好的结果或者数据的副本

浏览器缓存

浏览器端（客户端）保存数据用于快速读取或避免重复资源请求的优化机制

缓存是一种简单高效的性能优化方式，可以显著减少网络传输所带来的性能损耗

对于一个数据请求来说，可以分为三个步骤

1. 发起请求
2. 后端处理
3. 浏览器响应

浏览器缓存可以在第一和第三步骤中优化性能

• 直接使用缓存而不发起请求
• 发起了请求但后端存储的数据和缓存的数据一致，那么就没有必要再将数据回传回来，这样就减少了响应数据的传输

缓存位置

从缓存位置上来说分为四种，并且各自有优先级，当依次查找缓存且都没有命中的时候，才会去请求网络

1. Service Worker
2. Memory Cache
3. Disk Cache
4. Push Cache

Service Worker

Service Worker 是运行在浏览器背后的独立线程，一般可以用来实现缓存功能

使用 Service Worker的话，传输协议必须为 HTTPS,因为 Service Worker 中涉及到请求拦截，所以必须使用 HTTPS 协议来保障安全

步骤

1. 注册 Service Worker
2. 监听到 install 事件以后就可以缓存需要的文件
3. 下次用户访问的时候就可以通过拦截请求的方式查询是否存在缓存
   • 是:可以直接读取缓存文件
   • 否:请求数据

Service Worker 的缓存与浏览器其他内建的缓存机制不同，它可以让我们自由控制缓存哪些文件、如何匹配缓存、如何读取缓存，并且缓存是持续性的

当 Service Worker 没有命中缓存的时候，就需要去调用 fetch 函数获取数据

也就是说，当没有在 Service Worker 命中缓存的话，会根据缓存查找优先级去查找数据

但是不管是从 Memory Cache 中还是从网络请求中获取的数据，浏览器都会先从 Service Worker 中获取的内容

相关资源：

• Google 官方workbox
• developers文档：Service Worker

Memory Cache

Memory Cache 也就是内存中的缓存，读取内存中的数据比磁盘快

内存缓存虽然读取高效，但是缓存持续性很短，会随着进程的释放而释放。一旦关闭 Tab 页面，内存中的缓存就被释放了

当我们访问过页面以后，再次刷新页面，可以发现很多数据都来自于内存缓存

随便打开一个网页看看

浏览器会把哪些文件放入内存❓

• 浏览器会把解析完成的js与css放入内存中

特点

• 快速读取：将编译解析后的文件，直接存入该进程的内存中，占据该进程一定的内存资源，以方便下次运行使用时的快速读取
• 时效性：一旦该进程关闭，则该进程的内存则会清空

Disk Cache

Disk Cache 也就是存储在硬盘中的缓存，读取速度慢点，但是什么都能存储到磁盘中，比之 Memory Cache 胜在容量和存储时效性上

在所有浏览器缓存中，Disk Cache 覆盖面基本是最大的

可以根据 HTTP Herder 中的字段判断哪些资源需要缓存，哪些资源可以不请求直接使用，哪些资源已经过期需要重新请求

即使在跨站点的情况下，相同地址的资源一旦被硬盘缓存下来，就不会再次去请求数据

哪些资源会被放入磁盘❓

• 对于大文件来说，大概率是不存储在内存中的，反之优先
• 当前系统内存使用率高的话，文件也会优先存储进硬盘

特点

• 直接将缓存写入硬盘文件中
• 读取需要对硬盘上文件进行I/O操作，然后重新解析该缓存内容，读取复杂，速度比内存缓存慢
• 文件类型覆盖面大
• 容量大，存储时间可控

Push Cache

Push Cache 是 HTTP2 协议新增的内容

当以上三种缓存都没有命中时，它才会被使用。并且缓存时间也很短暂，只在会话（Session）中存在，一旦会话结束就被释放。

特点

• 所有的资源都能被推送，但有一定的兼容性问题
• 可以推送 no-cache 和 no-store 的资源
• 一旦连接被关闭，Push Cache 就被释放
• 多个页面可以使用相同的 HTTP/2 连接，即可以使用同一份缓存
• Push Cache 中的缓存只能被使用一次
• 浏览器可以拒绝接受已经存在的资源推送

当所有缓存都没有命中时,就会发起网络请求来获取资源

缓存策略

• 强缓存
• 协商缓存

优先级较高的是强缓存，当强缓存失效的情况下，才会走协商缓存流程

都是通过设置 HTTP Header 来实现的

强缓存

特点

1. 不会向服务器发送网络请求，直接从缓存中读取资源
2. 请求返回200的状态码
3. 在devtools的network选项卡可以看到size显示from disk cache或from memory cache

设置方法

通过两种 HTTP Header 实现

• Expires
• Cache-Control

二者区别

1. Expires 是RFC 2616（HTTP/1.0）协议中和网页缓存相关字段
2. Cache-Control 是HTTP/1.1 中实现缓存机制的指令
3. Cache-Control优先级高于Expires

Expires

使用举例：

Expires : Wed Mar 04 2020 13:33:10 GMT

用来指定资源的到期时间,表示资源在

• 这个时间之前无需发起网络请求，直接使用缓存的资源
• 这个时间之后失效,需要重新发起网络请求获取

缺陷： 受限制与本地时间,可以通过修改本地时间致其失效

Cache-Control

使用举例：

Cache-control: max-age=30

表示资源会在 30 秒后过期，需要再次请求，max-age是距离请求发起的时间的秒数

Cache-Control 生于 HTTP/1.1，优先级高于 Expires 。

可以在请求头或者响应头中设置，并且可以组合使用多种指令

常见指令

指令	作用
public	响应可以被服务端或者客户顿缓存
private 默认值	响应只可以被客户端缓存
max-age=30	缓存30s后过期需要重新请求
s-maxage=30	覆盖max-age,作用一致,代理服务器才生效
no-store	不缓存任何响应
no-cache	资源能被缓存,但立即失效
max-stale=30	30s内,即使缓存过期也使用该缓存
min-fresh=30	希望30s内获取最新的响应

特点 优先级高于Expires，指令可以组合

协商缓存

协商缓存就是强缓存失效后，浏览器携带资源的缓存标识向服务器发起请求，由服务器根据缓存标识决定是否继续使用缓存的过程

当浏览器发起请求验证资源时，如果资源没有做改变，那么服务端就会返回 304 状态码，并且更新浏览器现有缓存有效期

当资源失效时，返回 200 状态码和最新的资源

协商缓存可以通过设置两种 HTTP Header实现

• Last-Modified
• ETag

Last-Modified

浏览器发起请求访问目标资源，服务器在返回资源的同时，会在response header中添加 Last-Modified这个header，表示这个资源在服务器上的最后修改时间

浏览器下一次请求这个资源，浏览器检测到有 Last-Modified这个header，于是会添加If-Modified-Since这个header其值就是Last-Modified中的值

服务器再次收到这个资源请求，会根据 If-Modified-Since 中的值与服务器中这个资源的最后修改时间对比

• 若服务器的资源最后被修改时间不等于于If-Modified-Since中的值的话就会将新的资源发送回来
• 否则返回 304 状态码

缺点：

• 如果本地打开缓存文件，即使没有对文件进行修改，但还是会造成 Last-Modified 被修改，服务端不能命中缓存导致发送相同的资源
• Last-Modified 只能以秒计时，如果在不可感知的时间内修改完成文件，那么服务端会认为资源还是命中了，不会返回正确的资源

因为以上这些弊端，所以在 HTTP / 1.1 出现了 ETag

ETag

Etag是服务器在响应请求时，返回的当前资源文件一个唯一标识(由服务器生成)，只要资源有变化，Etag就会重新生成

浏览器在向服务器发送请求时，会将上一次返回的Etag值放到请求头的If-None-Match字段里

服务端比较 If-None-Match 中的值跟目标资源的ETag是否一致

• 一致，响应状态码为304
• 不一致，响应状态码为200，并返回新的资源

特点：

• ETag 优先级比 Last-Modified 高
• ETag 是服务端通过算法计算得出，需要损耗一定时间

两者对比

• Etag/If-None-Match优先级高于Last-Modified/If-Modified-Since
  • 即同时存在则只有Etag / If-None-Match生效
• 性能上，Last-Modified要优于Etag
  • Last-Modified只需要记录时间
  • Etag需要服务器通过算法来计算出一个hash值
• 在精确度上，Etag要优于Last-Modified
  • Last-Modified的时间单位是秒，如果某个文件在1秒内被改变了多次，那么它的Last-Modified没有体现出来修改
  • 文件只要发生改变，Etag就会改变

执行流程

1. 强制缓存优先于协商缓存进行
   • 若强制缓存(Expires和Cache-Control)生效则直接使用缓存
   • 若不生效则进行协商缓存(Last-Modified / If-Modified-Since与Etag / If-None-Match)
2. 协商缓存由服务器决定是否使用缓存
   • 若协商缓存失效，那么代表该请求的缓存失效，响应200，返回新的资源和缓存标识，并存入浏览器缓存中
   • 生效则响应304，表示继续使用现有缓存

如果什么缓存策略都没设置，那么浏览器会怎么处理❓

对于这种情况，浏览器会采用一个启发式的算法

取响应头中的 Date 减去 Last-Modified 值的 10% 作为缓存时间

缓存策略应用场景

1. 频繁变动的资源

1. 首先使用 Cache-Control: no-cache,使浏览器每次都请求服务器
2. 配合 ETag 或 Last-Modified 来验证资源是否过期

这样的做法虽然不能节省请求数量，但是能显著减少响应数据大小

2. 代码文件

缓存除HTML外的文件

一般来说，现在都会使用工具来打包代码，那么就可以对HTML引用的静态资源的文件名进行哈希处理，只有当文件内容发生修改后才会生成新的文件名

因此可以给代码文件设置缓存有效期一年Cache-Control: max-age=31536000，这样只有当HTML文件中引入的文件名发生了改变才会去下载最新的代码文件，否则就一直使用缓存。

参考

• 简书 - 深入理解浏览器的缓存机制
• 思否 - 浏览器缓存原理以及本地存储
• 掘金小册 - 前端面试之道
• 掘金 - 彻底理解浏览器的缓存机制