HTTP快取機制及原理

舞動乾坤發表於2019-03-31

一、前言

上週阿里的面試官問了個面試題 “ 能不能說下 304 的過程，以及影響快取的頭部屬性有哪些？”OMG.......因為之前只是大概瞭解 304 狀態碼是表示快取，且因為平時專案開發過程中也沒有在快取這塊踩過坑，所以這一塊也沒有去做特別深入的研究。所以當被問這個問題時，有被當頭一棒的感覺，也好好反思了下，自己校招以軟體開發工程師的職位進入公司，之前沒有想過要從事前端開發，所以前端基礎幾乎可以忽略不計。工作一年多來，為在工作上表現突出，在工作上投入大量的精力，幹到晚上10點是常規操作，週末至少加班1天；並且空餘時間，經常看前端相關書籍彌補基礎，如《JavaScript 高階程式設計》、《CSS 權威指南》、《Sass 實踐》、《JavaScript 高效能程式設計》....《Webpack 實踐》、《深入淺出 node.js》等不下10本書；在廣度上涉及的還是很多的，但是存在問題：從事前端時間不長，前端知識雜而多，如果沒有專門準備，如果突然問你一個知識點，你雖然大概知道這是啥，但是讓你講的話，你很難有條理的講清楚。

So，下一階段的首要任務：“打好打牢前端基礎，深入瞭解所用的技術棧原理”。廢話少說，學問學問，不懂就弄清楚！以下“理論知識 + 實踐操作”來徹底弄懂 HTTP 快取機制及原理！

二、快取規則及解析

為方便大家理解，我假設覽器存在一個快取資料庫，用於儲存快取資訊。在客戶端第一次請求資料時，此時快取資料庫中沒有對應的快取資料，需要請求伺服器，伺服器返回後，將資料儲存至快取資料庫中。如下流程圖所示：

根據是否需要重新向伺服器發起請求來分類，將HTTP快取規則分為兩大類(強制快取，對比快取)在詳細介紹這兩種規則之前，先通過時序圖的方式，讓大家對這兩種規則有個簡單瞭解。

（1）已存在快取資料時，僅基於強制快取，請求資料的流程如下所示：

（2）已存在快取資料時，僅基於對比快取，請求資料的流程如下所示：

我們可以看到兩類快取規則的不同，強制快取如果生效，不需要再和伺服器發生互動，而對比快取不管是否生效，都需要與服務端發生互動。

兩類快取規則可以同時存在，強制快取優先順序高於對比快取，也就是說，當執行強制快取的規則時，如果快取生效，直接使用快取，不再執行對比快取規則。

三、快取常用欄位

1、http1.0時期的快取方案

注意：

（1）如果使用了Pragma: 'no-cache'的話，再設定Expires或者Cache-Control，就沒有用了，說明Pragma的權值比後兩者高。

（2）如果設定了Expires之後，客戶端在需要請求資料的時候，首先會對比當前系統時間和這個Expires時間，如果沒有超過Expires時間，則直接讀取本地磁碟中的快取資料，不傳送請求。

2、http1.1 時期的快取方案

2.1、Cache-Control 欄位

2.1.1、Cache-Control 作為請求頭欄位

（1）Cache-Control: no-cache

使用no-cache指令的目的是為了防止從快取中返回過期的資源。客戶端傳送的請求中如果包含 no-cache 指令，則表示客戶端將不會接收快取的資源。每次請求都是從伺服器獲取資源，返回304。

（2）Cache-Control: no-store

使用no-store 指令表示請求的資源不會被快取，下次任何其它請求獲取該資源，還是會從伺服器獲取，返回 200，即資源本身。

2.1.2、Cache-Control 作為響應頭欄位

Cache-Control: public

當指定使用 public 指令時，則明確表明其他使用者也可利用快取。

Cache-Control: private

當指定 private 指令後，響應只以特定的使用者作為物件，這與 public 指令的行為相反。快取伺服器會對該特定使用者提供資源快取的服務，對於其他使用者傳送過來的請求，代理伺服器則不會返回快取。

Cache-Control: no-cache

如果伺服器返回的響應中包含 no-cache 指令，每次客戶端請求，必需先向伺服器確認其有效性，如果資源沒有更改，則返回304.

Cache-Control: no-store

不對響應的資源進行快取，即使用者下次請求還是返回 200，返回資源本身。

Cache-Control: max-age=604800（單位：秒）

資源快取在本地瀏覽器的時間，如果超過該時間，則重新向伺服器獲取。

2.2、請求頭部欄位 & 響應頭部欄位

2.2.1、請求頭部欄位

2.2.2、響應頭部欄位

注意：

（1）If-None-Match的優先順序比If-Modified-Since高，所以兩者同時存在時，遵從前者。

四、實驗驗證

1、實驗1 — 請求的資源沒修改，驗證2種快取出現的情形

服務端使用 node.js ，客戶端使用 axios 進行請求：

1.1、請求頭部 / 響應頭部設定

（1）服務端響應頭部設定：

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

（2）客戶端請求頭部使用預設設定

1.2、實驗步驟

（1）請求 3 次，第一次請求請求資源；第二次在10秒內再次請求該資源，第三次在 10 秒後再次請求該資源（實驗過程中，服務端的資源沒有進行改變）

1.3、實驗結果

3 次請求的 HTTP 資訊如下圖所示，從圖中的資訊可以得出，第一次請求該資源是從伺服器獲取；第二次（10 秒內）請求該資源是直接從瀏覽器快取中獲取該資源（沒有向伺服器確認）；第三次（10 秒後）請求該資源時，因為資源快取時間（10 秒）過期，所以向伺服器獲取資源，伺服器判斷該資源與本地快取的資源沒有做更改，所以返回 304，讓客戶端直接從瀏覽器快取中獲取該資源；以下，根據 HTTP 頭部資訊詳細介紹三個操作的互動過程。

1.3.1、第一次請求資源

第一次請求資源的請求頭部和響應頭部的截圖如下所示，因為第一次請求該資源，本地並沒有快取，所以直接從伺服器獲取該資源；我們從截圖可以看到，伺服器返回改資源的響應頭部中包含3個屬性與資源快取相關：

（1）cache-control: public, max-age=10

快取規則的設定，我們這個示例中，設定快取規則為 public, 並且設定快取過期時間為10秒；

（2）etag: W/"95f15b-16994d7ebf6"

資源的唯一識別符號，客戶端下次訪問該資源時，會在請求頭中攜帶 etag 去向伺服器確認，該資源是否被修改；

（3）last-modified: Tue, 19 Mar 2019 07:26:12 GMT

資源最後一次修改時間，客戶端下次訪問該資源時，會在請求頭中攜帶該資訊去向伺服器進行匹配，該資源是否被修改；

1.3.2、第二次請求資源（10秒內，即在快取時間失效前）

第二次請求資源的請求頭部和響應頭部的截圖如下所示，因為第二次請求該資源，該資源本地快取還沒失效，所以就直接從瀏覽器快取中獲取該資源。

1.3.3、第三次請求資源（10秒後，即在快取時間失效後）

第三次請求資源的請求頭部和響應頭部的截圖如下所示，因為第三次請求該資源，該資源本地快取已經失效，所以在請求頭部中加入 If-Modified-Since 和 If-None-Match 屬性，來向伺服器進行確認該資源是否有被更改。

2、實驗2 — 請求的資源進行修改，驗證2種快取出現的情形

服務端使用 node.js ，客戶端使用 axios 進行請求：

2.1、請求頭部 / 響應頭部設定

（1）服務端響應頭部設定：

res.setHeader('Cache-Control', 'public, max-age=20');

（2）客戶端請求頭部使用預設設定

2.2、實驗步驟

（1）請求 3 次，第一次請求資源；然後在伺服器對請求的資源進行修改，第二次在 20 秒內再次請求該資源，第三次在 20 秒後再次請求該資源

2.3、實驗結果

3 次請求的 HTTP 資訊如下圖所示，從圖中的資訊可以得出，第一次請求該資源是從伺服器獲取；第二次（20 秒內）請求該資源是直接從瀏覽器快取中獲取該資源（沒有向伺服器確認）；第三次（20 秒後）請求該資源時，因為資源快取時間（20 秒）過期，所以向伺服器獲取資源，伺服器判斷該資源與本地快取的資源不同，所以重新返回該資源；以下，根據 HTTP 頭部資訊詳細介紹三個操作的互動過程。

2.3.1、第一次請求資源

第一次請求資源的請求頭部和響應頭部的截圖如下所示，具體詳細資訊與 1.3.1 小節相同，在此不同重複介紹。

2.3.2、第二次請求資源（20 秒內，即在快取時間失效前）

第二次請求資源的請求頭部和響應頭部的截圖如下所示，（注意：即使此時伺服器上的資源已經更改，但是由於快取在瀏覽器中的資源沒有過期，所以還是從快取中返回舊資源）。

2.3.3、第三次請求資源（20 秒後，即在快取時間失效後）

第三次請求資源的請求頭部和響應頭部的截圖如下所示，因為第三次請求該資源，該資源本地快取已經失效，所以在請求頭部中加入 If-Modified-Since 和 If-None-Match 屬性，來向伺服器進行確認該資源是否有被更改，從下圖中可以看到，響應頭部的屬性 etag 與請求頭部的屬性 If-None-Match 不同，響應頭部的屬性 If-Modified-Since 與請求頭部的屬性 last-modified 不同；所以伺服器返回該資源的最新資源。