http強制快取、協商快取、指紋ETag詳解

Echoyya、發表於2021-06-30

每個瀏覽器都有一個自己的快取區，使用快取區的資料有諸多好處，減少冗餘的資料傳輸，節省網路傳輸。減少伺服器負擔，提高網站的效能。加快客戶端載入網頁的速度等，而這裡指的快取，指代的靜態檔案的快取，動態資料快取需要走redis。今天我們使用node搭建服務，簡單演示一下幾種快取的設定及配合使用。

快取分為disk cache 和 memory cache兩種，瀏覽器自行處理，程式碼層面無法控制。而我們一般在用的時候都是在nginx層做處理，但核心是一樣的，都是設定header

簡單說一下，Chrome瀏覽器的快取檔案位置在哪，感興趣的同學可以自己找一找：

chrome瀏覽器位址列中輸入：chrome://version/
找到個人資料路徑(我的是)：C:\Users\Lenovo\AppData\Local\Google\Chrome\User Data\Default
計算機中找到對應的目錄，可以在這個目錄下檢視到Cache和Code Cache目錄，這個就是快取檔案目錄進入對應的目錄，可以進行手動刪除

實操目錄及步驟

初始化package.json： npm init -y

下載第三方模組：npm i mime

.
│
└─cache                
    ├─node_modules             
    ├─public            // 靜態檔案目錄              
        ├─1.js          // 請求的檔案資源  
        ├─index.html    
    ├─1.cache.js          // 強制快取 完整程式碼案例
    ├─2.cache.js          // 協商快取 完整程式碼案例
    ├─3.cache.js          // 指紋對比 完整程式碼案例

快取分類

強制快取：直接快取至瀏覽器中，不會再次向伺服器傳送請求；
對比快取：也叫協商快取，客服各執一份檔案修改時間，相互對比，若相同用客戶端快取
指紋Etag：為解決對比快取存在的一些問題，客服各執一份檔案簽名，相互對比，若相同用客戶端快取

強制快取

伺服器與瀏覽器約定一個快取的最大存活時間，如10s，那麼10s內，瀏覽器請求相同的資源便不會在請求伺服器，會預設走瀏覽器的快取區，並且響應碼依然為200
如果返回的是一個html，其中又引用了其他資源，還會繼續向伺服器傳送請求。
不對首次訪問的路徑做處理，也就是第一次訪問時，不走強制快取的，必然會請求到伺服器端，因為如果連首頁都走快取了，那麼在斷網或伺服器當機的情況下也可以訪問該網站，顯然是不合理的
可以根據不同的檔案字尾，設定不同的強制快取的時間
在快取資料生效期間，可以直接使用快取資料，在沒有快取資料時，瀏覽器向伺服器請求資料，伺服器會將資料和快取規則一併返回，快取規則資訊包含在響應頭中。

強制快取常用的兩種響應頭設定

// 10s 表示當前時間 + 10s，屬於相對時間 (用於新版瀏覽器)
res.setHeader('Cache-Control', 'max-age=10'); 

// 設定 絕對時間 (用於舊版瀏覽器或IE老版本 或 http1.0)
// 設定header的值只能是數字，字串或陣列，不能為物件，new Date()返回的是物件，所以需要轉一下。
res.setHeader('Expires', new Date(Date.now() + 10 * 1000).toUTCString());

完整程式碼：

const http = require('http')
const url = require('url')
const path = require('path');
const fs = require('fs');
const mime = require('mime');

const server = http.createServer((req, res) => {
  let { pathname } = url.parse(req.url, true)
  let filepath = path.join(__dirname, 'public', pathname);   // 訪問路徑拼接 public

  // 10s 表示當前時間 + 10s，屬於相對時間 (用於新版瀏覽器)
  res.setHeader('Cache-Control', 'max-age=10'); 
  // 設定 絕對時間 (用於舊版瀏覽器或IE老版本 或 http1.0)
  // 設定header的值只能是數字，字串或陣列，不能為物件，new Date()返回的是物件，所以需要轉一下。
  res.setHeader('Expires', new Date(Date.now() + 10 * 1000).toUTCString()); 
  
  fs.stat(filepath, function (err, statObj) {
    if (err) {    // 獲取檔案資訊報錯，則則響應 404
      res.statusCode = 404;
      res.end('Not Found!')
    } else {
      // 如果是檔案，設定對應型別的響應頭，並返響應檔案內容
      if (statObj.isFile()) {
        res.setHeader('Content-Type', mime.getType(filepath) + ';charset=utf-8');
        fs.createReadStream(filepath).pipe(res);
      } else {
        // 如果是目錄，需要找目錄下的 index.html
        let htmlPath = path.join(filepath, 'index.html')   // 拼接路徑
        fs.access(htmlPath, function (err) {
          if (err) {    // 檢視檔案的可訪問性，如不能訪問則響應 404
            res.statusCode = 404;
            res.end('Not Found!')
          } else {
            res.setHeader('Content-Type', 'text/html;charset=utf-8');
            fs.createReadStream(htmlPath).pipe(res)
          }
        })
      }
    }
  })
});

// 服務監聽 3000 埠
server.listen(3000, function () {
  console.log('server is running....');
})

對比快取

瀏覽器首次請求資源時，伺服器會將快取標識(檔案修改時間)與資源一同返回給瀏覽器。
再次請求時，客戶端請求頭會攜帶快取標識(If-Modified-Since)，並在服務端對比兩個時間。
若相等，直接返回304狀態碼，讀取瀏覽器的快取中對應快取檔案；
若不相等，返回最新內容，並給檔案設定新的修改時間。
對比快取不管是否生效，都需要與服務端發生互動
強制快取和對比快取可以配合使用，如10s內強制快取，超過10s走對比快取，同時在設定10s的強制快取

響應頭設定

// no-cache: 需要使用對比快取驗證資料,會向伺服器傳送請求，且資料會存到瀏覽器的快取中 
res.setHeader('Cache-Control', 'no-cache'); 

// 設定響應頭，檔案的最後修改時間
res.setHeader('Last-Modified',ctime)

Last-Modify & If-Modified-Since

完整程式碼：

const http = require('http')
const url = require('url')
const path = require('path');
const fs = require('fs');
const mime = require('mime');

const server = http.createServer((req, res) => {
  let { pathname } = url.parse(req.url, true)
  let filepath = path.join(__dirname, 'public', pathname);
  // 強制快取和對比快取配合使用，10s內走強制快取，超過10s會走對比快取，同時在設定10s的強制快取
  // res.setHeader('Cache-Control', 'max-age=10');  
  
  res.setHeader('Cache-Control', 'no-cache'); 
 
  fs.stat(filepath, function (err, statObj) {
    if (err) {
      res.statusCode = 404;
      res.end('Not Found!')
    } else {
      // 如果是檔案
      if (statObj.isFile()) {
        const ctime = statObj.ctime.toGMTString();
        // 判斷請求頭儲存的時間與伺服器端檔案的最後修改時間是否相等
        if(req.headers['if-modified-since'] === ctime){
          res.statusCode = 304;  // 設定響應狀態碼，瀏覽器預設會自動解析，從快取中讀取對應檔案
          res.end();  // 表示此時伺服器沒有響應結果
        }else{
          // 設定響應頭，檔案的最後修改時間
          res.setHeader('Last-Modified',ctime)
          // 設定對應型別的響應頭，並返響應檔案內容
          res.setHeader('Content-Type', mime.getType(filepath) + ';charset=utf-8');
          fs.createReadStream(filepath).pipe(res);
        }
      } else {
        // 如果是目錄，需要找目錄下的index.html
        let htmlPath = path.join(filepath, 'index.html')    // 拼接路徑
        fs.access(htmlPath, function (err) {
          if (err) {  // 檢視檔案的可訪問性，如不能訪問則響應 404
            res.statusCode = 404;
            res.end('Not Found!')
          } else {
            res.setHeader('Content-Type', 'text/html;charset=utf-8');
            fs.createReadStream(htmlPath).pipe(res)
          }
        })
      }
    }
  })
});

// 服務監聽 3000 埠
server.listen(3000, function () {
  console.log('server is running....');
})

指紋 Etag

在講指紋之前，還需要介紹一下摘要演算法及加密演算法，crypto 是node中提供好的用於加密的模組，各種摘要演算法和加密演算法。

摘要及加密演算法

MD5：常見的MD5演算法，也叫hash演算法或者摘要演算法，具有以下特點：

不能反解，不可逆，
相同的內容，摘要出的結果相同
不同的內容，摘要出長度是相同的
不同的內容，摘要的結果完全不同 (也稱雪崩效應，有一點不一樣，結果就完全不一樣)
網上線上解密MD5其實只是通常意義的撞庫
撞庫不叫解密，為了安全，可以將一個md5值多次加密，一般三次以上就無法破解了md5(md5(md5(xxx))),

sah1/sha256：加鹽演算法，是真正的加密演算法，設定一個鹽值(祕鑰)，內容一致，鹽值不同,結果不同

const crypto = require('crypto');
/** md5*/
//                                    摘要的內容     摘要的格式
let r1 = crypto.createHash('md5').update('abcd').digest('base64');
//                                   分開摘要， 如果內部使用了流，可以讀一點摘要一點
let r2 = crypto.createHash('md5').update('a').update('b').update('cd').digest('base64');
console.log(r1, r2);

/** sha256 */
const crypto = require('crypto');
let r3 = crypto.createHmac('sha256','n').update('ab')..update('cd').digest('base64');
let r4 = crypto.createHmac('sha256','h').update('a')..update('bcd').digest('base64');
console.log(r3, r4);

進入正題，對比快取使用的最後修改時間方案也存在一定的問題：

某些伺服器不能精確得到檔案的最後修改時間，這樣就無法通過最後修改時間來判斷檔案是否更新了。
某些檔案的修改非常頻繁，在秒以下的時間內進行多次修改，而Last-Modified只能精確到秒。
一些檔案的最後修改時間改變了，但是內容並未改變(典型吃了吐)。因此不希望被認為是修改。
如果同樣的一個檔案位於多個CDN伺服器，內容雖然一樣，修改時間不一樣。

Etag的出現，可以在一定程度上解決這個問題，但不能說完全解決，他也存在他的問題，接下來分析一下他的實現原理：

ETag（實體標籤），根據摘要演算法將實體內容生成的一段hash字串，檔案改變，ETag也隨之改變
但是對於大檔案，不會直接全量比對，可以用檔案的大小，開頭、或某一段生成一個指紋
瀏覽器首次請求資源時，伺服器會將ETag與資源一同返回給瀏覽器。
再次請求時，客戶端請求頭會攜帶簽名標識(If-None-Match)，並在服務端對比兩個簽名。
若相等，直接返回304狀態碼，讀取瀏覽器的快取中對應快取檔案；
若不相等，返回最新內容，並給檔案設定新的修改時間。
ETag不管是否生效，都需要與服務端發生互動

響應頭設定

// no-cache: 需要使用對比快取驗證資料,會向伺服器傳送請求，且資料會存到瀏覽器的快取中 
res.setHeader('Cache-Control', 'no-cache'); 

// 設定響應頭，檔案的最後修改時間
res.setHeader('Last-Modified',ctime)

ETag & If-None-Match

完整程式碼：

const http = require('http')
const url = require('url')
const path = require('path');
const fs = require('fs');
const mime = require('mime');
const crypto = require('crypto');

const server = http.createServer((req, res) => {
  let { pathname } = url.parse(req.url, true)
  let filepath = path.join(__dirname, 'public', pathname);
  
  fs.stat(filepath, function (err, statObj) {
    if (err) {
      res.statusCode = 404;
      res.end('Not Found!')
    } else {
    // 如果是檔案
      if (statObj.isFile()) {
        let content = fs.readFileSync(filepath);
        let etag = crypto.createHash('md5').update(content).digest('base64');
        // 判斷請求頭儲存的簽名與服務端檔案的生成的簽名是否相等
        if(req.headers['if-none-match'] === etag){
          res.statusCode = 304; // 設定響應狀態碼，瀏覽器預設會自動解析，從快取中讀取對應檔案
          res.end()  // 表示此時伺服器沒有響應結果
        }else{
          // 設定響應頭，簽名
          res.setHeader('Etag',etag)
          // 設定對應型別的響應頭，並返響應檔案內容
          res.setHeader('Content-Type', mime.getType(filepath) + ';charset=utf-8');
          fs.createReadStream(filepath).pipe(res);
        }
      } else {
        // 如果是目錄，需要找目錄下的index.html
        let htmlPath = path.join(filepath, 'index.html')   // 拼接路徑
        fs.access(htmlPath, function (err) {  
          if (err) {   // 檢視檔案的可訪問性，如不能訪問則響應 404
            res.statusCode = 404;
            res.end('Not Found!')
          } else {
            res.setHeader('Content-Type', 'text/html;charset=utf-8');
            fs.createReadStream(htmlPath).pipe(res)
          }
        })
      }
    }
  })
});

// 服務監聽 3000 埠
server.listen(3000, function () {
  console.log('server is running....');
})

快取總結

強制快取如果生效，不會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
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，當強制快取規則生效時，直接使用快取，不再執行對比快取規則
可以設定不同的匹配規則，採用不同的快取方式

重要程式碼：

// 第一次傳送檔案，先設定強制快取，在執行強制快取時，預設不會執行對比快取，因為不走伺服器
res.setHeader('Cache-Control','max-age=10');
res.setHeader('Expires',new Date(Date.now() + 10 * 1000).toGMTString());

// 每次強制快取時間到了，就會走對比快取，然後在變成強制快取
const lastModified = statObj.ctime.toGMTString();
const etag = crypto.createHash('md5').update(readFileSync(requestFile)).digest('base64');
res.setHeader('Last-Modified',lastModified);
res.setHeader('Etag',etag);

let ifModifiedSince = req.headers['if-modified-since'];
let ifNoneMatch = req.headers['if-none-match'];
// 如果檔案修改時間不一樣，就直接返回最新的
if(lastModified !== ifModifiedSince){    // 有可能時間一樣，但是內容不一樣
    return createReadStream(requestFile).pipe(res);;
}
if(etag !== ifNoneMatch){ // 一般情況，指紋生成不會是根據檔案全量生成，有可能只是根據檔案大小等
    return createReadStream(requestFile).pipe(res);;
}
res.statusCode = 304;
return res.end();

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