轻松理解HTTP缓存策略

2020 年 12 月 21 日
筆記
http, HTTP缓存, 前端进阶

上一篇文章我写了koa-static的源码解析，其中用到了HTTP的缓存策略，给返回的静态文件设置了一些缓存的头，比如Cache-Control之类的。于是我就跟朋友讨论了一下HTTP的缓存策略：

朋友说：“HTTP里面控制缓存的头(header)太多了，啥Cache-Control，ETag，Last-Modified，一大堆，乱七八糟的，而且之间逻辑关系不强，要掌握基本靠背！”

我有点惊讶：“为什么要去背这个呢？所有的技术都是为了解决问题而存在的，不了解问题而去单纯的学习技术，去，背，去，死记，确实很枯燥，而且效果不好。HTTP缓存策略只是为了解决客户端和服务端信息不对称的问题而存在的，客户端为了加快速度会缓存部分资源，但是下次请求时，客户端不知道这个资源有没有更新，服务端也不知道客户端缓存的是哪个版本，不知道该不该再返回资源，其实就是一个信息同步问题，HTTP缓存策略就是来解决这个问题的。如果我们跳出这种纯粹的技术思维，我们会发现生活中这种信息同步问题也很常见。而我们解决这些问题的思路很多时候都是司空见惯了，如果从这个角度来说，这个问题就很好理解！”

于是我给他讲了一个我小时候租光碟看奥特曼的故事。

租光碟看奥特曼

事情是这样的，我小时候特别喜欢看动画片，尤其是奥特曼，但是那时候没有电脑啊，也没有网络。我只有一台DVD播放机，于是我会经常跑去租光碟的店租奥特曼。

ETag

某天，我看完了《艾斯奥特曼》第10集，我还想继续看。于是我找到了光碟店的老板：“老板，第10集我看完了哦，你还有没有新的啊？”老板说：“有有有，刚出了第11集，你拿去吧！”

上面这一个简单的交流过程其实就包含了一个HTTP的缓存技术，那就是ETag！类比于网络请求，我其实就是客户端，光碟店就是服务端，我去租光碟就相当于发起一个请求。但是我去租光碟时，老板并不知道我看到哪集了，我们的信息是不同步的。所以我告诉了他一个标记(Tag)，在这里这个标记就是第10集，老板拿到这个标记，跟他自己库存的标记比较一下，发现他最新标记是第11集，于是知道有更新了，将第11集给了我。

Last-Modified & If-Modified-Since

再来，我《艾斯奥特曼》看完了，我开始看《泰罗奥特曼》了。可是老板这次比较鸡贼，《泰罗奥特曼》没买正版的，是他自己翻录的，他翻录的时候自己也不知道是第几集，但是他聪明的在光盘上写上了翻录日期。于是我正在看的这盘也没啥封面，只光秃秃的写了一个2000年12月1日。当我这盘看完了，我又去找老板了：“老板，你这个2000年12月1日的我已经看完了，你还有没有新的啊？”这里的2000年12月1日其实就是标记了我手上副本的更新日期，这也对应了HTTP的一个缓存技术，那就是Last-Modified和If-Modified-Since。你可以理解为，老板给日期还取了一个名字，叫Last-Modified，所以光碟上完整文字是Last-Modified:2000年12月1日，而我去问的时候就这么问：“Do you have any updates IF-Modified-Since 2000年12月1日？”。

Expires和Max-Age

继续，我《泰罗奥特曼》也看完了，开始看《雷欧奥特曼》了。这《雷欧奥特曼》跟前面两个都不一样，我去租的时候老板就说了：“你小子别天天跑来问了！《雷欧奥特曼》我每周去进一次货，你每周一来拿就行！”这句话也对应了一个HTTP缓存技术，那就是Expires和Max-Age。我知道了下周一之前，我手上都是最新的，到了下周一就过期(Expire)了。所以“我手上的是最新的”这个说法有个生命周期，他的年龄是有限的，他的年龄等于下周一更新时间减去当前时间，这就是他的最大年龄(Max-Age)。

Immutable

再来一个，我《雷欧奥特曼》也看完了，开始看《奈克斯特奥特曼》了。这《奈克斯特奥特曼》跟前面几个都不一样，我去租的时候老板说了：“小子，你这次运气好，这《奈克斯特奥特曼》已经出完了，你全部拿去吧，也不用天天跑来问了！”这句话对应的HTTP缓存技术是啥？当然是Immutable！Immutable就跟字面意思一样，不可变的！就像《奈克斯特奥特曼》一样，已经出完了，不用再去问更新了。

言归正传

扯蛋到这里结束，咱们言归正传！之所以举这么个例子，是为了说明HTTP缓存技术要解决的问题在生活中很常见，从这些常见的场景入手，理解起来更简单。下面我们正儿八经的来说说HTTP缓存技术：

两种机制

从上面的几个小例子可以看出，有时候为了知道是不是有更新，我必须去问老板，比如第一个例子里面：“老板，第10集我看完了哦，你还有没有新的啊？”。这种为了知道有没有更新，必须跟服务端沟通过才知道的，我们称之为协商缓存。还有些场景，我不去问就知道有没有更新，比如第三个例子，因为知道是周更的，当周一来之前，我都不会去问了，到了周一再去问，这种不用跟服务器协商直接用本地副本的叫做强制缓存。换成技术的话说就是，强制缓存不用发请求直接用本地缓存，协商缓存要发请求去问服务器有没有更新。下面我们详细来讲下这两种缓存：

协商缓存

前面第一个例子和第二个例子每次都需要向服务器端询问，所以是协商缓存。

ETag和If-None-Match

ETag是URL的Entity Tag，就是一个URL资源的标识符，类似于文件的md5，计算方式也类似，当服务器返回时，可以根据返回内容计算一个hash值或者就是一个数字版本号，类似于我们的第10集，具体返回什么值要看服务器的计算策略。然后将它加到response的header里面，可能长这样：

ETag: "33a64df551425fcc55e4d42a148795d9f25f89d4"

客户端拿到后会将这个ETag和返回值一起存下来，等下次请求时，使用配套的If-None-Match，将这个放到request的header里面，可能长这样：

If-None-Match: "33a64df551425fcc55e4d42a148795d9f25f89d4"

然后服务端拿到请求里面的If-None-Match跟当前版本的ETag比较下：

如果是一样的话，直接返回304，语义为Not Modified，不返回内容(body)，只返回header，告诉浏览器直接用缓存。
如果不一样的话，返回200和最新的内容

与ETag配套的还有一个不太常用的request header —-If-Match，这个和前面If-None-Match的语义是相反的。前面If-None-Match的语义是如果不匹配就下载。而If-Match通常用于post或者put请求中，语义为如果匹配才提交，比如你在编辑一个商品，其他人也可能同时在编辑。当你提交编辑时，其他人可能已经先于你提交了，这时候服务端的ETag就已经变了，If-Match就不成立了，这时候服务端会给你返回412错误，也就是Precondition Failed，前提条件失败。如果If-Match成立，就正常返回200。

Last-Modified & If-Modified-Since

Last-Modified和If-Modified-Since也是配套使用的，类似于ETag和If-None-Match的关系。只不过ETag放的是一个版本号或者hash值，Last-Modified放的是资源的最后修改时间。Last-Modified是放到response的header里面的，可能长这样：

Last-Modified: Wed, 21 Oct 2000 07:28:00 GMT

而客户端浏览器在使用时，应该将配套的If-Modified-Since放到request的header里面，长这样：

If-Modified-Since: Wed, 21 Oct 2000 07:28:00 GMT

服务端拿到这个头后，会跟当前版本的修改时间进行比较：

当前版本的修改时间比这个晚，也就是这个时间后又改过了，返回200和新的内容
当前版本的修改时间和这个一样，也就是没有更新，返回304，不返回内容，只返回头，客户端直接使用缓存

与If-Modified-Since对应的还有If-Unmodified-Since，If-Modified-Since可以理解为有更新才下载，那If-Unmodified-Since就是没有更新才下载。如果客户端传了If-Unmodified-Since，像这样：

If-Unmodified-Since: Wed, 21 Oct 2000 07:28:00 GMT

服务端拿到这个头后，也会跟当前版本的修改时间进行比较：

如果这个时间后没有更新，服务器返回200，并返回内容。
如果这个时间后有更新，其实就是这个if不成立，会返回错误代码412，语义为Precondition Failed

ETag和Last-Modified优先级

ETag和Last-Modified都是协商缓存，都需要服务器进行计算和比较，那如果这两个都存在，用哪个呢？答案是ETag，ETag的优先级比Last-Modified高。因为Last-Modified在设计上有个问题，那就是Last-Modified的精度只能到秒，如果一个资源频繁修改，在同一秒进行多次修改，你从Last-Modified上是看不出来区别的。但是ETag每次修改都会生成新的，所以他比Last-Modified精度高，更准确。但是ETag也不是完全没问题的，你的ETag如果设计为一个hash值，每次请求都要计算这个值，需要额外耗费服务器资源。具体使用哪一个，需要根据自己的项目情况来进行取舍。

强制缓存

上面扯蛋那里的第三个例子和第四个例子就是强制缓存，就是我知道在某个时间段完全不用去问服务端，直接去用缓存就行。这两个例子里面提到的Expires是一个单独的header，max-age和immutable同属于Cache-Control这个header。

Expires

Expires比较简单，就是服务器response的header带上这个字段：

Expires: Wed, 21 Oct 2000 07:28:00 GMT

然后在这个时间前，客户端浏览器都不会再发起请求，而是直接用缓存资源。

Cache-Control

Cache-Control相对比较复杂，可设置属性也比较多，max-age只是其中一个属性，长这样：

Cache-Control: max-age=20000

这表示当前资源在20000秒内都不用再请求了，直接使用缓存。

上面提到的immutable也是Cache-Control的一个属性，但是是个实验性质的，各个浏览器兼容并不好。设置了Cache-control: immutable表示这辈子都用缓存了，再请求是不可能的了。

其他常用属性还有：

no-cache：使用缓存前，强制要求把请求提交给服务器进行验证(协商缓存验证)。

no-store：不存储有关客户端请求或服务器响应的任何内容，即不使用任何缓存。

另外Cache-Control还有很多属性，大家可以参考MDN的文档。

Expires和Cache-Control的优先级

就一句话：如果在Cache-Control响应头设置了 max-age 或者 s-maxage 指令，那么 Expires 头会被忽略。

协商缓存和强制缓存优先级

这个其实很好理解，协商缓存需要发请求跟服务器协商，强制缓存如果生效，根本就不会发请求。所以这个优先级就是：先判断强制缓存，如果强制缓存生效，直接使用缓存；如果强制缓存失效，再发请求跟服务器协商，看要不要使用缓存。

总结

本文从生活中常见的场景入手，阐述了HTTP缓存机制其实是提高访问速度和解决信息不同步的一种机制。这种信息不同步在生活中很常见，很多解决思路我们已经司空见惯，带着这种思维，我们可以很好的理解HTTP缓存机制。HTTP缓存机制要点如下：

HTTP缓存机制分为强制缓存和协商缓存两类。
强制缓存的意思就是不要问了(不发起请求)，直接用缓存吧。
强制缓存常见技术有Expires和Cache-Control。
Expires的值是一个时间，表示这个时间前缓存都有效，都不需要发起请求。
Cache-Control有很多属性值，常用属性max-age设置了缓存有效的时间长度，单位为秒，这个时间没到，都不用发起请求。
immutable也是Cache-Control的一个属性，表示这个资源这辈子都不用再请求了，但是他兼容性不好，Cache-Control其他属性可以参考MDN的文档。
Cache-Control的max-age优先级比Expires高。
协商缓存常见技术有ETag和Last-Modified。
ETag其实就是给资源算一个hash值或者版本号，对应的常用request header为If-None-Match。
Last-Modified其实就是加上资源修改的时间，对应的常用request header为If-Modified-Since，精度为秒。
ETag每次修改都会改变，而Last-Modified的精度只到秒，所以ETag更准确，优先级更高，但是需要计算，所以服务端开销更大。
强制缓存和协商缓存都存在的情况下，先判断强制缓存是否生效，如果生效，不用发起请求，直接用缓存。如果强制缓存不生效再发起请求判断协商缓存。

参考资料：

ETag MDN文档：//developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/HTTP/Headers/ETag

Last-Modified MDN文档：//developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/HTTP/Headers/Last-Modified

Expires MDN文档：//developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/HTTP/Headers/Expires

Cache-Control MDN文档：//developer.mozilla.org/zh-CN/docs/Web/HTTP/Headers/Cache-Control

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