0 前言
在前端開發中，效能一直都是被大家所重視的一點，然而判斷一個網站的效能最直觀的就是看網頁開啟的速度。其中提高網頁反應速度的一個方式就是使用快取。快取技術一直一來在WEB技術體系中扮演非常重要角色，是快速且有效地提升效能的手段。
一個優秀的快取策略可以縮短網頁請求資源的距離，減少延遲，並且由於快取檔案可以重複利用，還可以減少頻寬，降低網路負荷。
所以，快取技術是無數WEB開發從業人員在工作過程中不可避免的一大問題。在產品開發的時候我們總是想辦法避免快取產生，而在產品釋出之時又在想策略管理快取提升網頁的訪問速度。瞭解瀏覽器的快取命中原理，是開發WEB應用的基礎，本文著眼於此，學習瀏覽器快取的相關知識，總結快取避免和快取管理的方法，結合具體的場景說明快取的相關問題。希望能對有需要的人有所幫助。
1 WEB快取體系
在實際WEB開發過程中，快取技術會涉及到不同層、不同端，比如：使用者層、系統層、代理層、前端、後端、服務端等，每一層的快取目標都是一致的，就是儘快返回請求資料、減少延遲，但每層使用的技術實現是各有不同，面對不同層、不同端的優劣，選用不同的技術來提升系統響應效率。所以，我們首先看下各層的快取都有哪些技術，都快取哪些資料，從整體上，對WEB的快取技術進行了解，如下圖所示：
本篇文章重點講的就是上面紅色框部分快取內容。
2 認識瀏覽器快取
當瀏覽器請求一個網站的時候，會載入各種各樣的資源，比如：HTML文件、圖片、CSS和JS等檔案。對於一些不經常變的內容，瀏覽器會將他們儲存在本地的檔案中，下次訪問相同網站的時候，直接載入這些資源，加速訪問。
這些被瀏覽器儲存的檔案就被稱為快取（不是指Cookie或者Localstorage）。
那麼如何知曉瀏覽器是讀取了快取還是直接請求伺服器？如下圖網站來做個示例：
第一次開啟該網站後，如果再次重新整理頁面。會發現瀏覽器載入的眾多資源中，有一部分size有具體數值，然而還有一部分請求，比如圖片、css和js等檔案並沒有顯示檔案大小，而是顯示了 from dis cache 或者 from memory cache 字樣。這就說明了，該資源直接從本地硬碟或者瀏覽器記憶體讀取，而並沒有請求伺服器。
瀏覽器啟用快取至少有兩點顯而易見的好處：（1）減少頁面載入時間；（2）減少伺服器負載；
瀏覽器是否使用快取、快取多久，是由伺服器控制的。準確來說，當瀏覽器請求一個網頁（或者其他資源）時，伺服器發回的響應的「響應頭」部分的某些欄位指明瞭有關快取的關鍵資訊。下面看下，HTTP報文中與快取相關的首部欄位：
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通用首部欄位（就是請求報文和響應報文都能用上的欄位）
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請求首部欄位
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響應首部欄位
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實體首部欄位
3 瀏覽器快取機制
根據上面四種型別的首部欄位不同使用策略，瀏覽器中快取可分為強快取和協商快取：
1）瀏覽器在載入資源時，先根據這個資源的一些http header判斷它是否命中強快取，強快取如果命中，瀏覽器直接從自己的快取中讀取資源，不會發請求到伺服器。比如：某個css檔案，如果瀏覽器在載入它所在的網頁時，這個css檔案的快取配置命中了強快取，瀏覽器就直接從快取中載入這個css，連請求都不會傳送到網頁所在伺服器；
2）當強快取沒有命中的時候，瀏覽器一定會傳送一個請求到伺服器，通過伺服器端依據資源的另外一些http header驗證這個資源是否命中協商快取，如果協商快取命中，伺服器會將這個請求返回，但是不會返回這個資源的資料，而是告訴客戶端可以直接從快取中載入這個資源，於是瀏覽器就又會從自己的快取中去載入這個資源；
3）強快取與協商快取的共同點是：如果命中，都是從客戶端快取中載入資源，而不是從伺服器載入資源資料；區別是：強快取不發請求到伺服器，協商快取會發請求到伺服器。
4）當協商快取也沒有命中的時候，瀏覽器直接從伺服器載入資源資料。
3.1 強快取：Expires&Cache-Control
當瀏覽器對某個資源的請求命中了強快取時，返回的HTTP狀態為200，在chrome的開發者工具的network裡面 size會顯示為from cache，比如：京東的首頁裡就有很多靜態資源配置了強快取，用chrome開啟幾次，再用f12檢視network，可以看到有不少請求就是從快取中載入的：
強快取是利用Expires或者Cache-Control這兩個http response header實現的，它們都用來表示資源在客戶端快取的有效期。
Expires是HTTP 1.0提出的一個表示資源過期時間的header，它描述的是一個絕對時間，由伺服器返回，用GMT格式的字串表示，如：Expires:Thu, 31 Dec 2037 23:55:55 GMT，包含了Expires頭標籤的檔案，就說明瀏覽器對於該檔案快取具有非常大的控制權。
例如，一個檔案的Expires值是2020年的1月1日，那麼就代表，在2020年1月1日之前，瀏覽器都可以直接使用該檔案的本地快取檔案，而不必去伺服器再次請求該檔案，哪怕伺服器檔案發生了變化。
所以，Expires是優化中最理想的情況，因為它根本不會產生請求，所以後端也就無需考慮查詢快慢。它的快取原理，如下：
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瀏覽器第一次跟伺服器請求一個資源，伺服器在返回這個資源的同時，在response的header加上Expires的header，如：
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瀏覽器在接收到這個資源後，會把這個資源連同所有response header一起快取下來（所以快取命中的請求返回的header並不是來自伺服器，而是來自之前快取的header）；
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瀏覽器再請求這個資源時，先從快取中尋找，找到這個資源後，拿出它的Expires跟當前的請求時間比較，如果請求時間在Expires指定的時間之前，就能命中快取，否則就不行；
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如果快取沒有命中，瀏覽器直接從伺服器載入資源時，Expires Header在重新載入的時候會被更新；
Expires是較老的強快取管理header，由於它是伺服器返回的一個絕對時間，在伺服器時間與客戶端時間相差較大時，快取管理容易出現問題，比如：隨意修改下客戶端時間，就能影響快取命中的結果。所以在HTTP 1.1的時候，提出了一個新的header，就是Cache-Control，這是一個相對時間，在配置快取的時候，以秒為單位，用數值表示，如：Cache-Control:max-age=315360000，它的快取原理是：
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瀏覽器第一次跟伺服器請求一個資源，伺服器在返回這個資源的同時，在response的header加上Cache-Control的header，如：
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瀏覽器在接收到這個資源後，會把這個資源連同所有response header一起快取下來；
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瀏覽器再請求這個資源時，先從快取中尋找，找到這個資源後，根據它第一次的請求時間和Cache-Control設定的有效期，計算出一個資源過期時間，再拿這個過期時間跟當前的請求時間比較，如果請求時間在過期時間之前，就能命中快取，否則就不行；
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如果快取沒有命中，瀏覽器直接從伺服器載入資源時，Cache-Control Header在重新載入的時候會被更新；
Cache-Control描述的是一個相對時間，在進行快取命中的時候，都是利用客戶端時間進行判斷，所以相比較Expires，Cache-Control的快取管理更有效，安全一些。
這兩個header可以只啟用一個，也可以同時啟用，當response header中，Expires和Cache-Control同時存在時，Cache-Control優先順序高於Expires：
此外，還可以為 Cache-Control 指定 public 或 private 標記。如果使用 private，則表示該資源僅僅屬於發出請求的終端使用者，這將禁止中間伺服器（如代理伺服器）快取此類資源。對於包含使用者個人資訊的檔案（如一個包含使用者名稱的 HTML 文件），可以設定 private，一方面由於這些快取對其他使用者來說沒有任何意義，另一方面使用者可能不希望相關檔案儲存在不受信任的伺服器上。需要指出的是，private 並不會使得快取更加安全，它同樣會傳給中間伺服器（如果網站對於傳輸的安全性要求很高，應該使用傳輸層安全措施）。對於 public，則允許所有伺服器快取該資源。通常情況下，對於所有人都可以訪問的資源（例如網站的 logo、圖片、指令碼等），Cache-Control 預設設為 public 是合理的。
3.2 協商快取：Last-Modified&Etag
當瀏覽器對某個資源的請求沒有命中強快取，就會發一個請求到伺服器，驗證協商快取是否命中，如果協商快取命中，請求響應返回的http狀態為304並且會顯示一個Not Modified的字串，比如你開啟京東的首頁，按f12開啟開發者工具，再按f5重新整理頁面，檢視network，可以看到有不少請求就是命中了協商快取的：
檢視單個請求的Response Header，也能看到304的狀態碼和Not Modified的字串，只要看到這個就可說明這個資源是命中了協商快取，然後從客戶端快取中載入的，而不是伺服器最新的資源：
協商快取是利用的是【Last-Modified，If-Modified-Since】和【ETag、If-None-Match】這兩對Header來管理的。
【Last-Modified，If-Modified-Since】的控制快取的原理，如下：
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瀏覽器第一次跟伺服器請求一個資源，伺服器在返回這個資源的同時，在response的header加上Last-Modified的header，這個header表示這個資源在伺服器上的最後修改時間：
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瀏覽器再次跟伺服器請求這個資源時，在request的header上加上If-Modified-Since的header，這個header的值就是上一次請求時返回的Last-Modified的值：
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伺服器再次收到資源請求時，根據瀏覽器傳過來If-Modified-Since和資源在伺服器上的最後修改時間判斷資源是否有變化，如果沒有變化則返回304 Not Modified，但是不會返回資源內容；如果有變化，就正常返回資源內容。當伺服器返回304 Not Modified的響應時，response header中不會再新增Last-Modified的header，因為既然資源沒有變化，那麼Last-Modified也就不會改變，這是伺服器返回304時的response header：
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瀏覽器收到304的響應後，就會從快取中載入資源。
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如果協商快取沒有命中，瀏覽器直接從伺服器載入資源時，Last-Modified Header在重新載入的時候會被更新，下次請求時，If-Modified-Since會啟用上次返回的Last-Modified值。
【Last-Modified，If-Modified-Since】都是根據伺服器時間返回的header，一般來說，在沒有調整伺服器時間和篡改客戶端快取的情況下，這兩個header配合起來管理協商快取是非常可靠的，但是有時候也會伺服器上資源其實有變化，但是最後修改時間卻沒有變化的情況，而這種問題又很不容易被定位出來，而當這種情況出現的時候，就會影響協商快取的可靠性。所以就有了另外一對header來管理協商快取，這對header就是【ETag、If-None-Match】。它們的快取管理的方式是：
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瀏覽器第一次跟伺服器請求一個資源，伺服器在返回這個資源的同時，在response的header加上ETag的header，這個header是伺服器根據當前請求的資源生成的一個唯一標識，這個唯一標識是一個字串，只要資源有變化這個串就不同，跟最後修改時間沒有關係，所以能很好的補充Last-Modified的問題：
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瀏覽器再次跟伺服器請求這個資源時，在request的header上加上If-None-Match的header，這個header的值就是上一次請求時返回的ETag的值：
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伺服器再次收到資源請求時，根據瀏覽器傳過來If-None-Match和然後再根據資源生成一個新的ETag，如果這兩個值相同就說明資源沒有變化，否則就是有變化；如果沒有變化則返回304 Not Modified，但是不會返回資源內容；如果有變化，就正常返回資源內容。與Last-Modified不一樣的是，當伺服器返回304 Not Modified的響應時，由於ETag重新生成過，response header中還會把這個ETag返回，即使這個ETag跟之前的沒有變化：
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瀏覽器收到304的響應後，就會從快取中載入資源。
Etag和Last-Modified非常相似，都是用來判斷一個引數，從而決定是否啟用快取。但是ETag相對於Last-Modified也有其優勢，可以更加準確的判斷檔案內容是否被修改，從而在實際操作中實用程度也更高。
協商快取跟強快取不一樣，強快取不發請求到伺服器，所以有時候資源更新了瀏覽器還不知道，但是協商快取會發請求到伺服器，所以資源是否更新，伺服器肯定知道。大部分web伺服器都預設開啟協商快取，而且是同時啟用【Last-Modified，If-Modified-Since】和【ETag、If-None-Match】，比如apache:
如果沒有協商快取，每個到伺服器的請求，就都得返回資源內容，這樣伺服器的效能會極差。
【Last-Modified，If-Modified-Since】和【ETag、If-None-Match】一般都是同時啟用，這是為了處理Last-Modified不可靠的情況。有一種場景需要注意：
分散式系統裡多臺機器間檔案的Last-Modified必須保持一致，以免負載均衡到不同機器導致比對失敗；
分散式系統儘量關閉掉ETag(每臺機器生成的ETag都會不一樣）；
比如，京東頁面的資源請求，返回的repsonse header就只有Last-Modified，沒有ETag：
協商快取需要配合強快取使用，上面這個截圖中，除了Last-Modified這個header，還有強快取的相關header，因為如果不啟用強快取的話，協商快取根本沒有意義。
4 快取判斷流程
如果資源已經被瀏覽器快取下來，在快取失效之前，再次請求時，預設會先檢查是否命中強快取，如果強快取命中則直接讀取快取，如果強快取沒有命中則發請求到伺服器檢查是否命中協商快取，如果協商快取命中，則告訴瀏覽器還是可以從快取讀取，否則才從伺服器返回最新的資源。其瀏覽器判斷快取的詳細流程圖，如下：