简析强制缓存和协商缓存

零、目录

1.   背景介绍
2.   http 缓存机制
3.   使用小结

一、 背景介绍

        浏览器和服务器进行交互的过程， 时间开销的瓶颈往往出现在数据的传输的过程之中。

        这个场景类似介于 A城 到 B城 之间只有一座 “通道” ， 每次想从A城 到 B城 ，必须按照人数交付高昂的路费， 那么如果要减少这种高昂的路费开销的话， 核心思想就是尽可能的减少通过这座 “通道” 的次数又或者减少通过这座通道的“人数”。基于这种理念，在 http协议的基础上， 提出了一种协议缓存， 这种协议缓存又可以细分为 强制缓存 和 协商缓存 两种，分别对应上述减少过桥次数和减少过桥人数的理念。

二、http缓存机制简介

        1. 强制缓存

        强制缓存的思想是，在浏览器内置数据库中缓存每次请求中 “可以被缓存” （受到一些关键字的管控）的静态资源如 image, css, js 文件， 当第二次请求被缓存过的资源时候，会通过校验两个字段 Expires 和 Cache-Control 的max-age字段（注意，Expires 是 http1.0 的产物， Cache-Control 则是 http1.1 的产物。 两者同时存在， 或者只存在其中之一， 都可以触发强制缓存）

• 当满足字段约束的情况下， 浏览器就不会向服务器发送请求而是直接从服务器返回数据， 同时其状态码为 200

• 当不满足字段约束的情况下， 浏览器则会向服务器正常发送请求， 具体流程可见图（01.强制缓存示意图）

                       （01.强制缓存示意图）    

        强制缓存主要取决于两个字段 Expires 和 Cache-Control 中的 max-age 字段， 在两个响应头都存在的情况下， 其流程如图 （02. 强制缓存执行流程图）所示 

（02. 强制缓存执行流程图）        

        如图（02. 强制缓存执行流程图）可知， 当两个字段同时存在得到时候， Cache-Control 中的 max-age 字段字段优先级会稍微高一点， 当 Cache-Control 中的 max-age 字段校验成功，会直接返回浏览器内置数据库的缓存， 失效时才会将决策权传递给 Expires 字段判断。

        这样设计的原因，大概是因为 Expires 字段在设计时存在了这么一个缺陷——Expires字段返回的是服务器的时间， 而非客户端的本机时间。 当存在时差， 或者客户修改本地时间的情况下 Expires 字段会存在失效的可能性，比如 当同一时刻下的服务器时间为 2022/4/26 06:00:00 客户端时间为 2022/4/26 12:00:00 过期时间为两个小时之后， 则服务器会返回 2022/4/26 08:00:00 这个时间对应的值。由于浏览器运行在客户环境下，对于客户而言， 这个缓存已经过期了，虽然缓存确实有效， 但是对于浏览器而言这个缓存确确实实是 “过期了”， 这会导致强制缓存永远不会生效！

        那么为了解决这个问题， http 1.1 协议中添加了 Cache-Control 中的 max-age， 他是一个相对值， 即客户端获取到这个文件多少秒后失效， 其判别权力全权交由浏览器， 这会相对更准确些。

        2. 协商缓存

        协商缓存主要由 ETag 和 Last-Modified 两个字段来实现

• ETag 是一个用于映射 web 资源的映射 token，这个 token 应该满足唯一对应到一 个web服务器上的静态资源（具体实现通常是提取文件相关信息进行hash和base64编码等操作）

• Last-Modified 则通常是文件最后更新的日期时间戳

（通过上述两个字段就可以判断当前文件是否是最新的数据）

    与上述两个字段配对的分别是 If-None-Match 和 If-Modified-Since 这两个字段， 具体流程如下图所示（03. 协商缓存示意图）

       （03. 协商缓存示意图） 

        浏览器首次向服务器请求数据 A， 服务器正常返回数据，同时在响应头中放入 ETag 和 Last-Modified 两个新字段。

        当浏览器第二次向服务器请求数据 A 时， 浏览器会自动地在请求头附上 If-None-Match 和 If-Modified-Since 两个字段（分别对应的是 ETag 和 Last-Modified 的值，两两相等）， 然后由服务器端进行校验， 校验通过的话（表明数据有效）， 服务器会直接返回 状态码 304 ，且不携带响应体的报文段， 这相当于告诉浏览器：当前缓存有效， 可以直接使用！ 校验失败则会和首次请求一样， 返回状态码为200且携带数据响应体的报文段， 同时这个响应头会带上新的ETag 和Last-Modified， 为下一次协商缓存做好铺垫 。

        需要注意的是， 在不用框架的情况下， 协商缓存需要由后端开发人员手动实现，因此 ETag 和 Last-Modified 两个字段的优先级取决于开发者， 但是 Last-Modified 这个字段可以记录的时间戳精确度是有一定限制的，如果连续多次数据更新在精确度范围外， 会产生精确度丢失， 因此通常会让ETag 的优先级高于 Last-Modified 字段（类似于Cache-control中max-age一样， 属于是后续改进协议的一个新字段， 因此优先级一般会高点）

        3. 强制缓存 + 协商缓存

        了解了 强制缓存 和 协商缓存， 我们不妨看看两者并存的情况，如图（04. 强制缓存和协商缓存联合）所示

 （04. 强制缓存和协商缓存联合）

        默认情况下， 浏览器会优先考量强制缓存的情况， 当强制缓存生效的情况下， 请求并不会到达服务器， 因此也就不会触发协商缓存。 当强制缓存失效的时候， 浏览器便会将请求传递到服务器， 于是服务器又会开始校验 If-Modified-Since 和 If-None-math 两个字段， 重复上述协商缓存的一个执行流程

        乍一看，两者并存的情况， 有点像是两个协议的简单叠加，此时的协商缓存更像是强制缓存的兜底策略， 很可能协商缓存很长一段时间都不会生效（强制缓存过期时间设置过长的情况下）， 因为强制缓存的优先级是要高于协商缓存的。 当然这并不是我们想看到的， 比方说当后端数据确实变更了， 而此时的浏览器由于使用了强制缓存，则会出现数据不一致的情况， 因此在这里引入了请求头中的两个字段 no-cache， 当使用了 no-cache 字段的时候， 浏览器将不再使用强制缓存， 而是直接去请求服务器， 这个时候就会用到协商缓存了（顺带一提的是， 还有一个 no-store 字段， 用了这个字段浏览器则不会在使用缓存的数据也不缓存数据，即强制缓存和协商缓存都失效了）

        4. 缓存机制之间的一些区别

1. 强制缓存在缓存有效的情况下不会去请求服务器， 其数据来源则是浏览缓存的本地磁盘。而协商缓存会向服务器请求，但是在协商缓存成功的情况下， 服务器只会返回一个不带响应体的报文，结合开头的背景来说 强制缓存选择“减少过桥次数”的策略， 而协商缓存则是采用 ‘减少过桥人数’的策略
2. 强制缓存在浏览器强制刷新的情况下不会生效， 而协商缓存则不受影响。（调试代码测试时候，要注意）
3. 强制缓存返回的报文状态码为 200， 协商缓存返回的报文状态码为 304 （前端使用fetch请求的情况， 协商缓存的 状态码304 会转成 200）
4. 强制缓存发生在浏览器端， 协商缓存发生在服务器端

三、使用小结

         强制缓存和协商缓存需要具体条件下来用， 下边是笔者总结的几个小点

1.     强制缓存存在一个瓶颈， 当浏览器用户强刷新时，浏览器会直接跳过强制缓存， 这点不注意很容易会被忽视掉。
2.     强制缓存不适合 SPA 应用的入口文件， 因为重新部署后， 用户如果没有强制刷新， 则无法在第一时间内看到新的网页内容。
3.    作为一个前端开发者可以通过设置请求头中的 no-cache 和 no-store 字段选择使用协商缓存或者不使用缓存！！！