前端也要懂Http快取機制

謝小飛發表於2018-08-13
前端HTTP快取

  最近在看面試題的時候總會看到有一些關於Http快取的題目，但是總是一知半解，不甚理解；尤其是Http頭資訊中有一大堆的欄位，什麼if-modified-since，什麼if-none-match，真是令人頭疼。後來突然想到，要是能通過自己構建一個伺服器，自己新增頭資訊，然後看實現的效果，不就更好了麼。說幹就幹，在網上各種找資料，然後再使用expressjs新增各種頭資訊，就能夠很好的理解Http快取了。

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Http簡介

  瀏覽器和伺服器之間通訊是通過HTTP協議，HTTP協議永遠都是客戶端發起請求，伺服器回送響應。模型如下：

http-modal

  HTTP報文就是瀏覽器和伺服器間通訊時傳送及響應的資料塊。瀏覽器向伺服器請求資料，傳送請求(request)報文；伺服器向瀏覽器返回資料，返回響應(response)報文。報文資訊主要分為兩部分：

  1. 報文頭部：一些附加資訊（cookie，快取資訊等），與快取相關的規則資訊，均包含在頭部中
  2. 資料主體部分：HTTP請求真正想要傳輸的資料內容

  本文用到的一些報文頭如下：

欄位名稱 欄位所屬
Pragma 通用頭
Expires 響應頭
Cache-Control 通用頭
Last-Modified 響應頭
If-Modified-Sice 請求頭
ETag 響應頭
If-None-Match 請求頭

Http快取的分類

  Http快取可以分為兩大類，強制快取（也稱強快取）和協商快取。兩類快取規則不同，強制快取在快取資料未失效的情況下，不需要再和伺服器發生互動；而協商快取，顧名思義，需要進行比較判斷是否可以使用快取。

  兩類快取規則可以同時存在，強制快取優先順序高於協商快取，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，不再執行協商快取規則。

原始模型

  我們先簡單搭建一個Express的伺服器，不加任何快取資訊頭。

const express = require('express');
const app = express();
const port = 8080;
const fs = require('fs');
const path = require('path');

app.get('/',(req,res) => {
    res.send(`<!DOCTYPE html>
    <html lang="en">
    <head>
        <title>Document</title>
    </head>
    <body>
        Http Cache Demo
        <script src="/demo.js"></script>
    </body>
    </html>`)
})

app.get('/demo.js',(req, res)=>{
    let jsPath = path.resolve(__dirname,'./static/js/demo.js');
    let cont = fs.readFileSync(jsPath);
    res.end(cont)
})

app.listen(port,()=>{
    console.log(`listen on ${port}`)    
})
複製程式碼

  我們可以看到請求結果如下：

no-cache

  請求過程如下：

  • 瀏覽器請求靜態資源demo.js
  • 伺服器讀取磁碟檔案demo.js，返給瀏覽器
  • 瀏覽器再次請求，伺服器又重新讀取磁碟檔案 a.js，返給瀏覽器。
  • 迴圈請求。。

  看得出來這種請求方式的流量與請求次數有關，同時，缺點也很明顯：

  • 浪費使用者流量
  • 浪費伺服器資源，伺服器要讀磁碟檔案，然後傳送檔案到瀏覽器
  • 瀏覽器要等待js下載並且執行後才能渲染頁面，影響使用者體驗

  接下來我們開始在頭資訊中新增快取資訊。

一、強制快取

  強制快取分為兩種情況，Expires和Cache-Control。

Expires

  Expires的值是伺服器告訴瀏覽器的快取過期時間（值為GMT時間，即格林尼治時間），即下一次請求時，如果瀏覽器端的當前時間還沒有到達過期時間，則直接使用快取資料。下面通過我們的Express伺服器來設定一下Expires響應頭資訊。

//其他程式碼...
const moment = require('moment');

app.get('/demo.js',(req, res)=>{
    let jsPath = path.resolve(__dirname,'./static/js/demo.js');
    let cont = fs.readFileSync(jsPath);
    res.setHeader('Expires', getGLNZ()) //2分鐘
    res.end(cont)
})

function getGLNZ(){
    return moment().utc().add(2,'m').format('ddd, DD MMM YYYY HH:mm:ss')+' GMT';
}
//其他程式碼...
複製程式碼

  我們在demo.js中新增了一個Expires響應頭，不過由於是格林尼治時間，所以通過momentjs轉換一下。第一次請求的時候還是會向伺服器發起請求，同時會把過期時間和檔案一起返回給我們；但是當我們重新整理的時候，才是見證奇蹟的時刻：

expires-cache

  可以看出檔案是直接從快取（memory cache）中讀取的，並沒有發起請求。我們在這邊設定過期時間為兩分鐘，兩分鐘過後可以重新整理一下頁面看到瀏覽器再次傳送請求了。

  雖然這種方式新增了快取控制，節省流量，但是還是有以下幾個問題的：

  • 由於瀏覽器時間和伺服器時間不同步，如果瀏覽器設定了一個很後的時間，過期時間一直沒有用
  • 快取過期後，不管檔案有沒有發生變化，伺服器都會再次讀取檔案返回給瀏覽器

  不過Expires 是HTTP 1.0的東西，現在預設瀏覽器均預設使用HTTP 1.1，所以它的作用基本忽略。

Cache-Control

  針對瀏覽器和伺服器時間不同步，加入了新的快取方案；這次伺服器不是直接告訴瀏覽器過期時間，而是告訴一個相對時間Cache-Control=10秒，意思是10秒內，直接使用瀏覽器快取。

app.get('/demo.js',(req, res)=>{
    let jsPath = path.resolve(__dirname,'./static/js/demo.js');
    let cont = fs.readFileSync(jsPath);
    res.setHeader('Cache-Control', 'public,max-age=120') //2分鐘
    res.end(cont)
})
複製程式碼

cache-control

二、協商快取

  強制快取的弊端很明顯，即每次都是根據時間來判斷快取是否過期；但是當到達過期時間後，如果檔案沒有改動，再次去獲取檔案就有點浪費伺服器的資源了。協商快取有兩組報文結合使用：

  1. Last-Modified和If-Modified-Since
  2. ETag和If-None-Match

diagram-http

Last-Modified

  為了節省伺服器的資源，再次改進方案。瀏覽器和伺服器協商，伺服器每次返回檔案的同時，告訴瀏覽器檔案在伺服器上最近的修改時間。請求過程如下：

  • 瀏覽器請求靜態資源demo.js
  • 伺服器讀取磁碟檔案demo.js，返給瀏覽器，同時帶上檔案上次修改時間 Last-Modified（GMT標準格式）
  • 當瀏覽器上的快取檔案過期時，瀏覽器帶上請求頭If-Modified-Since（等於上一次請求的Last-Modified）請求伺服器
  • 伺服器比較請求頭裡的If-Modified-Since和檔案的上次修改時間。如果果一致就繼續使用本地快取（304），如果不一致就再次返回檔案內容和Last-Modified。
  • 迴圈請求。。

  程式碼實現過程如下：

app.get('/demo.js',(req, res)=>{
    let jsPath = path.resolve(__dirname,'./static/js/demo.js')
    let cont = fs.readFileSync(jsPath);
    let status = fs.statSync(jsPath)

    let lastModified = status.mtime.toUTCString()
    if(lastModified === req.headers['if-modified-since']){
        res.writeHead(304, 'Not Modified')
        res.end()
    } else {
        res.setHeader('Cache-Control', 'public,max-age=5')
        res.setHeader('Last-Modified', lastModified)
        res.writeHead(200, 'OK')
        res.end(cont)
    }
})
複製程式碼

  我們多次重新整理頁面，可以看到請求結果如下：

last-modified-cache

  雖然這個方案比前面三個方案有了進一步的優化，瀏覽器檢測檔案是否有修改，如果沒有變化就不再傳送檔案；但是還是有以下缺點：

  • 由於Last-Modified修改時間是GMT時間，只能精確到秒，如果檔案在1秒內有多次改動，伺服器並不知道檔案有改動，瀏覽器拿不到最新的檔案
  • 如果伺服器上檔案被多次修改了但是內容卻沒有發生改變，伺服器需要再次重新返回檔案。

ETag

  為了解決檔案修改時間不精確帶來的問題，伺服器和瀏覽器再次協商，這次不返回時間，返回檔案的唯一標識ETag。只有當檔案內容改變時，ETag才改變。請求過程如下：

  • 瀏覽器請求靜態資源demo.js
  • 伺服器讀取磁碟檔案demo.js，返給瀏覽器，同時帶上檔案的唯一標識ETag
  • 當瀏覽器上的快取檔案過期時，瀏覽器帶上請求頭If-None-Match（等於上一次請求的ETag）請求伺服器
  • 伺服器比較請求頭裡的If-None-Match和檔案的ETag。如果一致就繼續使用本地快取（304），如果不一致就再次返回檔案內容和ETag。
  • 迴圈請求。。
const md5 = require('md5');

app.get('/demo.js',(req, res)=>{
    let jsPath = path.resolve(__dirname,'./static/js/demo.js');
    let cont = fs.readFileSync(jsPath);
    let etag = md5(cont);

    if(req.headers['if-none-match'] === etag){
        res.writeHead(304, 'Not Modified');
        res.end();
    } else {
        res.setHeader('ETag', etag);
        res.writeHead(200, 'OK');
        res.end(cont);
    }
})
複製程式碼

  請求結果如下：

etag-cache

一些額外的東西

  在報文頭的表格中我們可以看到有一個欄位叫Pragma，這是一段塵封的歷史....

secret

  在“遙遠的”http1.0時代，給客戶端設定快取方式可通過兩個欄位--Pragma和Expires。雖然這兩個欄位早可拋棄，但為了做http協議的向下相容，你還是可以看到很多網站依舊會帶上這兩個欄位。

關於Pragma

  當該欄位值為no-cache的時候，會告訴瀏覽器不要對該資源快取，即每次都得向伺服器發一次請求才行。

res.setHeader('Pragma', 'no-cache') //禁止快取
res.setHeader('Cache-Control', 'public,max-age=120') //2分鐘
複製程式碼

  通過Pragma來禁止快取，通過Cache-Control設定兩分鐘快取，但是重新訪問我們會發現瀏覽器會再次發起一次請求，說明了Pragma的優先順序高於Cache-Control

關於Cache-Control

  我們看到Cache-Control中有一個屬性是public，那麼這代表了什麼意思呢？其實Cache-Control不光有max-age，它常見的取值private、public、no-cache、max-age，no-store，預設值為private，各個取值的含義如下：

  • private: 客戶端可以快取
  • public: 客戶端和代理伺服器都可快取
  • max-age=xxx: 快取的內容將在 xxx 秒後失效
  • no-cache: 需要使用對比快取來驗證快取資料
  • no-store: 所有內容都不會快取，強制快取，對比快取都不會觸發

  所以我們在重新整理頁面的時候，如果只按F5只是單純的傳送請求，按Ctrl+F5會發現請求頭上多了兩個欄位Pragma: no-cache和Cache-Control: no-cache。

快取的優先順序

  上面我們說過強制快取的優先順序高於協商快取，Pragma的優先順序高於Cache-Control，那麼其他快取的優先順序順序怎麼樣呢？網上查閱了資料得出以下順序（PS：有興趣的童鞋可以驗證一下正確性告訴我）：

Pragma > Cache-Control > Expires > ETag > Last-Modified

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  參考資料：

http快取優先順序問題

徹底弄懂HTTP快取機制及原理

HTTP快取控制小結

淺談瀏覽器http的快取機制

通過express框架簡單實踐幾種設定HTTP對快取的控制

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