深入理解浏览器的缓存机制

前言

浏览器缓存是前端性能优化的重要一环，对于前端效率提升的重要性，不言而喻。

之前对于浏览器缓存也是一知半解，这次借着H5页面缓存优化的东风整理了一下本地浏览器端的缓存机制，如强制缓存、协商缓存等，并且然后结合门户域各部件（官网、云社区、云市场、个人中心、APP）当前的缓存机制进一步分解，旨在呈现下当前华为云官网的缓存策略，供大家参考。

1  浏览器缓存

1.1 浏览器缓存

缓存是一种本地保存远端资源的机制，不管是在客户端、还是在服务端存储着，用相同的URL进行数据请求，可以直接从缓存中请求资源而不再访问源服务器。

Web前端缓存大致可以分为：数据库缓存、服务器端缓存（代理服务器缓存、CDN缓存）、浏览器缓存。

浏览器缓存也包含很多内容：HTTP 缓存、indexDB、cookie、localstorage 等等。这里我们只讨论 HTTP 缓存相关内容。

1.2 浏览器缓存的意义：

浏览器在本地对用户对最近请求过的文档进行存储，当用户再次访问同一页面时，浏览器就可以直接从本地磁盘加载文件。浏览器缓存的意义主要在：

a. 避免了冗余的数据传输，节省流量；

b. 加快了用户访问网页的速度；

c. 减小了服务器的压力。

2   缓存类型

2.1   第一次请求数据

浏览器第一次请求数据时，浏览器缓存中没有对应的缓存数据，此时需要请求服务器，浏览器返回数据后，会把请求的数据存储至缓存数据库中。

当浏览器中存在缓存数据后，可以根据是否需要向服务器发送请求，将缓存类型分为：强制缓存和协商缓存。

2.2   强制缓存

用户请求数据，如果命中强缓存，则不向服务器请求，而直接从本地资源获取，返回200状态码，并提示from disk cache或from memory cache（比从disk快）。

2.3   协商缓存

在用户请求资源时，浏览器直接向服务器发送请求，协商对比服务端和本地的资源，验证本地资源是否失效。

2.4   强制缓存和协商缓存的关系

强制缓存和协商缓存命中缓存资源后，都是从本地读取资源。如果强制缓存生效，则不需要再向服务器发出请求；而协商缓存，不管是否使用缓存，必须向服务器发送一个请求来协商。

两类缓存规则可以同时存在，强制缓存优先级高于协商缓存，也就是说，当执行强制缓存的规则时，如果缓存生效，直接使用缓存，不再执行协商缓存规则。如果强制缓存规则不生效，则需要进行协商缓存判断。

3  缓存相关header

上文介绍了强制缓存与协商缓存的流程，那么在浏览器中，浏览器如何判定缓存数据是否失效呢？如何确认是否使用缓存数据呢？

3.1  强制缓存

强制缓存的response header中会有两个字段来表明失效规则（Expires/Cache-Control）

1.   Expires：Expires的值为服务端返回的到期时间，即下一次请求时，请求时间小于服务端返回的到期时间，直接使用缓存数据。不过Expires 是HTTP 1.0的东西，现在默认浏览器均默认使用HTTP 1.1，所以它的作用基本忽略。另一个问题是，到期时间是由服务端生成的，但是客户端时间可能跟服务端时间有误差，这就会导致缓存命中的误差。 所以HTTP 1.1 的版本，使用Cache-Control替代。

2. Cache-Control：Cache-Control 是最重要的规则。常见的取值有private、public、no-cache、max-age，

Expires和Cache-Control的关系：

a. 相同点：两者都是强缓存。

b. 不同点：

• Expires是http1.0规定的，而Cache-Control是http1.1规定的。
• Expires的过期时间采用的是绝对时间，容易造成差错； 而Cache-Control的过期时间采用的时相对时间，在缓存上不会出现问题。
• 两者可以同时存在于一次请求中，但是不会同时在一次请求中起作用。 在HTTP1.0的环境下，Cache-Control不起作用，Expires起作用； 在HTTP1.1的环境之下， Expires不起作用，而Cache-Control起作用。当前一般都是http1.1的情况，所以Expires是作为一种向下兼容的形式而存在的。
• Cache-Control的选择更多，功能更为强大，推荐使用。 Expires作为强缓存，功能单一，不推荐使用。

例如：下图（华为云官网首页）中，文件global.js的Cache-Control指定的缓存失效时间max-age为86400s（1天）：

3.2  协商缓存

协商缓存一般是使用 if-modified-since/Last-Modified 和 if-none-match/Etag 由服务器来决定浏览器缓存的资源是否可以使用。

1.  Last-Modified  /  If-Modified-Since

Last-Modified：服务器响应请求时，告诉浏览器资源最后的修改时间。

If-Modified-Since：浏览器再次请求资源时，浏览器通知服务器，上次请求时，返回的资源最后修改时间。

若最后修改时间小于等于If-Modified-Since，则response header返回304，告知浏览器继续使用所保存的cache。若大于If-Modified-Since，则说明资源被改动过，返回状态码200；

2.  If-none-match  /  Etag

Etag：服务器响应请求时，告诉浏览器当前资源在浏览器的唯一标识（生成规则由服务器确定）

If-None-Match：再次请求服务器时，通过此字段通知服务器客户端缓存数据的唯一标识。服务器收到请求后发现有If-None-Match 则与被请求资源的唯一标识进行比对，不同，说明资源又被改动过，则响应整片资源内容，返回状态码200；相同，说明资源无新修改，则响应HTTP 304，告知浏览器继续使用所保存的cache。

Etag与Last-Modified对比：

1. 在精确度上，Etag优于Last-Modified。Last-Modified精确到s，如果1s内，资源多次改变，Etag是可以判断出来并返回最新的资源。
2. 在性能上，Last-Modified优于Etag，因为Last-Modified只需要记录时间，而Etag需要服务器重新生成hash值，所以性能上略差。
3. 在优先级上，Etag优于Last-Modified，Etag和Last-Modified可同时存在。本地缓存时间到期后，浏览器向服务端发送请求报文，其中Request Header中包含If-none-match和Last-Modified-Since（与服务端Etag和Last-Modified对比，Etag优先级高），用以验证本地缓存数据验证是否与服务端保持一致。在服务器端会优先判断Etag。如果相同，返回304；如果不同，就继续比较Last-Modified，然后决定是否返回新的资源。若服务端验证本地缓存与服务端一致，返回304，浏览器加载本地缓存；否则，服务器返回请求的资源，同时给出新的Etag以及Last-Modified时间。

3.3 缓存请求

以下为浏览器缓存的流程：

4 实例分析

对于客户端来说，浏览器在使用本地缓存数据时，需要对齐本地与服务器的资源；但是，对于服务端，服务器将资源下发给客户端，服务端就失去了对齐的控制权。比如，服务端设定缓存失效的max-age，在这段时间内，哪怕服务端资源已发生更改，服务端也无法通知客户端资源更新通知。所以，对于一个网页来说，需要合理的指定缓存的废弃与更新的响应策略，从而既能提升页面加载速度，同时确保页面的准确性。

以下结合华为云官网各部件，分析缓存的废弃和更新的响应策略：

4.1 官网首页：

注释：

• Html：缓存有效时间为0s，页面加载时，强制浏览器每次向源服务器确认数据；
• Css：改动频率较低，允许使用本地缓存，且存在强制缓存时间（各个css文件不同，按需设置）；强制缓存失效再进行协商缓存；
• Js：允许使用本地缓存，且存在强制缓存时间（各个js文件不同，按需设置）；强制缓存失效再进行协商缓存；
• Image：图片修改频率更低，允许使用本地缓存，且存在强制缓存时间（各个image文件不同，按需设置）；强制缓存失效再进行协商缓存；
• Gif：官网中gif主要存在于banner轮播，因此确保时效性，使用no-cache，不允许缓存，强制每次向源服务器确认数据。

注意（以下已官网首页为例，介绍缓存与版本号的关系，其余各部件都存在相同问题，后续不一一解释。）：

上图描述的是可缓存文件的缓存策略。但是，网页中还有很多文件，比如global.js、global.css等，更新频率较快，如果一直使用本地缓存可能会影响页面的正确性。因此，在引用这部分文件时，会在文件后添加个版本号，用以刷新缓存，以此确保本地资源的时效性，添加版本号的目的是为了强制要求文件每次加载重新向服务端请求。如下，左图给出了部分文件的版本号后缀。这部分文件在浏览器重新加载后，请求报文的头文件，Request Header的Cache-control值为no-cache，即无缓存，重新请求数据。如下右图所示：

4.2   社区

注释：

• Html：缓存权限为public；本地缓存到期时间expires为固定Thu, 19 Nov 1981 08:52:00 GMT，也就是本地缓存永远是到期的；因此，每次加载页面都需要重新向源服务器获取资源。
• Css：改动频率较低，允许使用本地缓存，且强制缓存时间为1天；强制缓存失效再进行协商缓存；
• Js：允许使用本地缓存，且强制缓存时间为1天；强制缓存失效再进行协商缓存；
• Image：图片修改频率更低，png格式文件允许使用本地缓存，且强制缓存时间为1周，jpg格式文件为一月； 本地缓存到期后，会继续通过判定Etag和Last-Modified，验证本地缓存的有效性，（方法见3.2，优先级）。图片的缓存策略中，强缓存和协商缓存同时存在，因为页面中一般图片资源较大，但是修改频率较低，所以使用缓存可以提升浏览器加载速度。

4.3  云市场