輕鬆理解HTTP快取策略

_蔣鵬飛發表於2020-12-21

上一篇文章我寫了koa-static的原始碼解析，其中用到了HTTP的快取策略，給返回的靜態檔案設定了一些快取的頭，比如Cache-Control之類的。於是我就跟朋友討論了一下HTTP的快取策略：

朋友說：“HTTP裡面控制快取的頭(header)太多了，啥Cache-Control，ETag，Last-Modified，一大堆，亂七八糟的，而且之間邏輯關係不強，要掌握基本靠背！”

我有點驚訝：“為什麼要去背這個呢？所有的技術都是為了解決問題而存在的，不瞭解問題而去單純的學習技術，去，背，去，死記，確實很枯燥，而且效果不好。HTTP快取策略只是為了解決客戶端和服務端資訊不對稱的問題而存在的，客戶端為了加快速度會快取部分資源，但是下次請求時，客戶端不知道這個資源有沒有更新，服務端也不知道客戶端快取的是哪個版本，不知道該不該再返回資源，其實就是一個資訊同步問題，HTTP快取策略就是來解決這個問題的。如果我們跳出這種純粹的技術思維，我們會發現生活中這種資訊同步問題也很常見。而我們解決這些問題的思路很多時候都是司空見慣了，如果從這個角度來說，這個問題就很好理解！”

於是我給他講了一個我小時候租光碟看奧特曼的故事。

租光碟看奧特曼

事情是這樣的，我小時候特別喜歡看動畫片，尤其是奧特曼，但是那時候沒有電腦啊，也沒有網路。我只有一臺DVD播放機，於是我會經常跑去租光碟的店租奧特曼。

ETag

某天，我看完了《艾斯奧特曼》第10集，我還想繼續看。於是我找到了光碟店的老闆：“老闆，第10集我看完了哦，你還有沒有新的啊？”老闆說：“有有有，剛出了第11集，你拿去吧！”

上面這一個簡單的交流過程其實就包含了一個HTTP的快取技術，那就是ETag！類比於網路請求，我其實就是客戶端，光碟店就是服務端，我去租光碟就相當於發起一個請求。但是我去租光碟時，老闆並不知道我看到哪集了，我們的資訊是不同步的。所以我告訴了他一個標記(Tag)，在這裡這個標記就是第10集，老闆拿到這個標記，跟他自己庫存的標記比較一下，發現他最新標記是第11集，於是知道有更新了，將第11集給了我。

Last-Modified & If-Modified-Since

再來，我《艾斯奧特曼》看完了，我開始看《泰羅奧特曼》了。可是老闆這次比較雞賊，《泰羅奧特曼》沒買正版的，是他自己翻錄的，他翻錄的時候自己也不知道是第幾集，但是他聰明的在光碟上寫上了翻錄日期。於是我正在看的這盤也沒啥封面，只光禿禿的寫了一個2000年12月1日。當我這盤看完了，我又去找老闆了：“老闆，你這個2000年12月1日的我已經看完了，你還有沒有新的啊？”這裡的2000年12月1日其實就是標記了我手上副本的更新日期，這也對應了HTTP的一個快取技術，那就是Last-Modified和If-Modified-Since。你可以理解為，老闆給日期還取了一個名字，叫Last-Modified，所以光碟上完整文字是Last-Modified:2000年12月1日，而我去問的時候就這麼問：“Do you have any updates IF-Modified-Since 2000年12月1日？”。

Expires和Max-Age

繼續，我《泰羅奧特曼》也看完了，開始看《雷歐奧特曼》了。這《雷歐奧特曼》跟前面兩個都不一樣，我去租的時候老闆就說了：“你小子別天天跑來問了！《雷歐奧特曼》我每週去進一次貨，你每週一來拿就行！”這句話也對應了一個HTTP快取技術，那就是Expires和Max-Age。我知道了下週一之前，我手上都是最新的，到了下週一就過期(Expire)了。所以“我手上的是最新的”這個說法有個生命週期，他的年齡是有限的，他的年齡等於下週一更新時間減去當前時間，這就是他的最大年齡(Max-Age)。

Immutable

再來一個，我《雷歐奧特曼》也看完了，開始看《奈克斯特奧特曼》了。這《奈克斯特奧特曼》跟前面幾個都不一樣，我去租的時候老闆說了：“小子，你這次運氣好，這《奈克斯特奧特曼》已經出完了，你全部拿去吧，也不用天天跑來問了！”這句話對應的HTTP快取技術是啥？當然是Immutable！Immutable就跟字面意思一樣，不可變的！就像《奈克斯特奧特曼》一樣，已經出完了，不用再去問更新了。

言歸正傳

扯蛋到這裡結束，我們們言歸正傳！之所以舉這麼個例子，是為了說明HTTP快取技術要解決的問題在生活中很常見，從這些常見的場景入手，理解起來更簡單。下面我們正兒八經的來說說HTTP快取技術：

兩種機制

從上面的幾個小例子可以看出，有時候為了知道是不是有更新，我必須去問老闆，比如第一個例子裡面：“老闆，第10集我看完了哦，你還有沒有新的啊？”。這種為了知道有沒有更新，必須跟服務端溝通過才知道的，我們稱之為協商快取。還有些場景，我不去問就知道有沒有更新，比如第三個例子，因為知道是周更的，當週一來之前，我都不會去問了，到了週一再去問，這種不用跟伺服器協商直接用本地副本的叫做強制快取。換成技術的話說就是，強制快取不用發請求直接用本地快取，協商快取要發請求去問伺服器有沒有更新。下面我們詳細來講下這兩種快取：

協商快取

前面第一個例子和第二個例子每次都需要向伺服器端詢問，所以是協商快取。

ETag和If-None-Match

ETag是URL的Entity Tag，就是一個URL資源的識別符號，類似於檔案的md5，計算方式也類似，當伺服器返回時，可以根據返回內容計算一個hash值或者就是一個數字版本號，類似於我們的第10集，具體返回什麼值要看伺服器的計算策略。然後將它加到response的header裡面，可能長這樣：

ETag: "33a64df551425fcc55e4d42a148795d9f25f89d4"

客戶端拿到後會將這個ETag和返回值一起存下來，等下次請求時，使用配套的If-None-Match，將這個放到request的header裡面，可能長這樣：

If-None-Match: "33a64df551425fcc55e4d42a148795d9f25f89d4"

然後服務端拿到請求裡面的If-None-Match跟當前版本的ETag比較下：

如果是一樣的話，直接返回304，語義為Not Modified，不返回內容(body)，只返回header，告訴瀏覽器直接用快取。
如果不一樣的話，返回200和最新的內容

與ETag配套的還有一個不太常用的request header ----If-Match，這個和前面If-None-Match的語義是相反的。前面If-None-Match的語義是如果不匹配就下載。而If-Match通常用於post或者put請求中，語義為如果匹配才提交，比如你在編輯一個商品，其他人也可能同時在編輯。當你提交編輯時，其他人可能已經先於你提交了，這時候服務端的ETag就已經變了，If-Match就不成立了，這時候服務端會給你返回412錯誤，也就是Precondition Failed，前提條件失敗。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，類似於ETag和If-None-Match的關係。只不過ETag放的是一個版本號或者hash值，Last-Modified放的是資源的最後修改時間。Last-Modified是放到response的header裡面的，可能長這樣：

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

而客戶端瀏覽器在使用時，應該將配套的If-Modified-Since放到request的header裡面，長這樣：

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

服務端拿到這個頭後，會跟當前版本的修改時間進行比較：

當前版本的修改時間比這個晚，也就是這個時間後又改過了，返回200和新的內容
當前版本的修改時間和這個一樣，也就是沒有更新，返回304，不返回內容，只返回頭，客戶端直接使用快取

與If-Modified-Since對應的還有If-Unmodified-Since，If-Modified-Since可以理解為有更新才下載，那If-Unmodified-Since就是沒有更新才下載。如果客戶端傳了If-Unmodified-Since，像這樣：

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

服務端拿到這個頭後，也會跟當前版本的修改時間進行比較：

如果這個時間後沒有更新，伺服器返回200，並返回內容。
如果這個時間後有更新，其實就是這個if不成立，會返回錯誤程式碼412，語義為Precondition Failed

ETag和Last-Modified優先順序

ETag和Last-Modified都是協商快取，都需要伺服器進行計算和比較，那如果這兩個都存在，用哪個呢？答案是ETag，ETag的優先順序比Last-Modified高。因為Last-Modified在設計上有個問題，那就是Last-Modified的精度只能到秒，如果一個資源頻繁修改，在同一秒進行多次修改，你從Last-Modified上是看不出來區別的。但是ETag每次修改都會生成新的，所以他比Last-Modified精度高，更準確。但是ETag也不是完全沒問題的，你的ETag如果設計為一個hash值，每次請求都要計算這個值，需要額外耗費伺服器資源。具體使用哪一個，需要根據自己的專案情況來進行取捨。

強制快取

上面扯蛋那裡的第三個例子和第四個例子就是強制快取，就是我知道在某個時間段完全不用去問服務端，直接去用快取就行。這兩個例子裡面提到的Expires是一個單獨的header，max-age和immutable同屬於Cache-Control這個header。

Expires

Expires比較簡單，就是伺服器response的header帶上這個欄位：

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

然後在這個時間前，客戶端瀏覽器都不會再發起請求，而是直接用快取資源。

Cache-Control

Cache-Control相對比較複雜，可設定屬性也比較多，max-age只是其中一個屬性，長這樣：

Cache-Control: max-age=20000

這表示當前資源在20000秒內都不用再請求了，直接使用快取。

上面提到的immutable也是Cache-Control的一個屬性，但是是個實驗性質的，各個瀏覽器相容並不好。設定了Cache-control: immutable表示這輩子都用快取了，再請求是不可能的了。

其他常用屬性還有：

no-cache：使用快取前，強制要求把請求提交給伺服器進行驗證(協商快取驗證)。

no-store：不儲存有關客戶端請求或伺服器響應的任何內容，即不使用任何快取。

另外Cache-Control還有很多屬性，大家可以參考MDN的文件。

Expires和Cache-Control的優先順序

就一句話：如果在Cache-Control響應頭設定了 max-age 或者 s-maxage 指令，那麼 Expires 頭會被忽略。

協商快取和強制快取優先順序

這個其實很好理解，協商快取需要發請求跟伺服器協商，強制快取如果生效，根本就不會發請求。所以這個優先順序就是：先判斷強制快取，如果強制快取生效，直接使用快取；如果強制快取失效，再發請求跟伺服器協商，看要不要使用快取。

總結

本文從生活中常見的場景入手，闡述了HTTP快取機制其實是提高訪問速度和解決資訊不同步的一種機制。這種資訊不同步在生活中很常見，很多解決思路我們已經司空見慣，帶著這種思維，我們可以很好的理解HTTP快取機制。HTTP快取機制要點如下：

HTTP快取機制分為強制快取和協商快取兩類。
強制快取的意思就是不要問了(不發起請求)，直接用快取吧。
強制快取常見技術有Expires和Cache-Control。
Expires的值是一個時間，表示這個時間前快取都有效，都不需要發起請求。
Cache-Control有很多屬性值，常用屬性max-age設定了快取有效的時間長度，單位為秒，這個時間沒到，都不用發起請求。
immutable也是Cache-Control的一個屬性，表示這個資源這輩子都不用再請求了，但是他相容性不好，Cache-Control其他屬性可以參考MDN的文件。
Cache-Control的max-age優先順序比Expires高。
協商快取常見技術有ETag和Last-Modified。
ETag其實就是給資源算一個hash值或者版本號，對應的常用request header為If-None-Match。
Last-Modified其實就是加上資源修改的時間，對應的常用request header為If-Modified-Since，精度為秒。
ETag每次修改都會改變，而Last-Modified的精度只到秒，所以ETag更準確，優先順序更高，但是需要計算，所以服務端開銷更大。
強制快取和協商快取都存在的情況下，先判斷強制快取是否生效，如果生效，不用發起請求，直接用快取。如果強制快取不生效再發起請求判斷協商快取。