最常被遗忘的Web性能优化：浏览器缓存

摘要：所以，今天我们就来聊一聊这个经常被我们遗忘的浏览器缓存。这些被浏览器保存的文件就被称为缓存。但是它的功能却完全不同，包含了头标签的文件，就说明浏览器对于该文件缓存具有非常大的控制权。对于浏览器，从中似乎并不能看出是否使用了缓存。

一提起缓存，Web开发者们总是在想数据库缓存、页面静态化、使用Redis内存缓存。这些方法都有一个共性，就是集中在后台，目的就是加快数据的读取，少用比较容易产生瓶颈的部分。

后台该优化的都优化到了最佳状态，却往往疏忽了一个非常重要的过程，就是数据传输。想着如何快速读取数据，却忘了如何减少请求数据，或者根本不请求数据。所以，今天我们就来聊一聊这个经常被我们遗忘的浏览器缓存。

当浏览器请求一个网站的时候，会加载各种各样的资源，比如HTML文档、图片、CSS和JS等文件。对于一些不经常变的内容，浏览器会将他们保存在本地的文件中，下次访问相同网站的时候，直接加载这些资源，加速访问。

这些被浏览器保存的文件就被称为缓存。（不是指Cookie或者Localstorage）。

那么如何知晓浏览器是读取了缓存还是直接请求服务器？我们就使用Segmentfault网站来做个示例（见下图）。

第一次打开该网站后，如果再次刷新页面。会发现浏览器加载的众多资源中，有一部分size有具体数值，然而还有一部分请求，比如图片、css和js等文件并没有显示文件大小，而是显示了from dis cache或者from memory cache字样。这就说明了，该资源直接从内存或者本地硬盘直接读取，而并没有请求服务器。

知道了浏览器从缓存中读取文件，那么浏览器缓存文件存储在哪里？以chrome为例，直接在浏览器地址栏输入：chrome://cache/即可打开近期的所有缓存文件链接，当然你可以直接点击打开缓存内容。

至于背后的文件，一般存在于：C:UsersyanyingAppDataLocalGoogleChromeUser DataDefaultCache路径中，其中yanying是你的windows用户名称。

从上面的图片可以看出。一部分请求使用了缓存，而有一部分缓存并没有使用缓存。浏览器如果想判断何时该做什么操作，就必须要有一个判定标准。这里就需要用到缓存协商。简单来说就是Web浏览器和服务器之间协定一个法则，什么情况下请求资源，什么情况下不请求。

缓存协商方式和Cookie、User-Agent一样，通过浏览器header进行传输。

缓存协商方式有3种：

Last-Modified

ETag

Expires

Last-Modified标签代表是文件的最后修改时间，其格式是标准的GMT时间。注意： GMT是标准的格林威治时间，我们国家是GMT+8时区。所以，你看到的Last-Modified和我们的时间有8个小时差距，不过不影响使用。

一般的动态资源没有所谓的最后修改时间。而静态文件比如css文件、图片等文件可以通过stat()系统调用获得文件的最后修改时间。

但是，实际网站运行中，Web服务器（比如Apache）会自动获取静态资源的最后修改时间，同时会自动在HTTP头文件中添加Last-Modified标签。静态资源的相应头文件如下图所示：

包含了Last-Modified标签的资源，在下次的请求中，浏览器会带着该时间。当服务器接收到请求后会核对该时间后，文件是否被修改，如果修改了就直接返回数据，没有修改就直接返回304状态码，告知浏览器直接使用本地缓存。这样，一次数据传输流量就被免除了，速度稍有加快。

动态资源虽然没有相对意义上的最后修改时间，但是我们还是可以直接通过发送header头来手动定义Last-Modified。这样，通过动态程序判断，也可以达到静态资源节省数据传输流量的作用。

这里使用PHP举个例子：

1、首先创建一个php文件，发送一个Last-Modified头标签：

2、使用浏览器请求该文件，我们得到了如下的服务器返回头：
HTTP/1.1 200 OK
Date: Tue, 27 Jun 2017 15:13:02 GMT
Server: Apache/2.4.9 (Win32) PHP/5.5.12
X-Powered-By: PHP/5.5.12
Last-Modified: Tue, 27 Jun 2017 15:13:02 GMT
Content-Length: 0
Keep-Alive: timeout=5, max=97
Connection: Keep-Alive
Content-Type: text/html
观察上面服务器返回的头文件，包含了一个Last-Modified: Tue, 27 Jun 2017 15:13:02 GMT，这就是上面动态代码生成的最后修改时间。
3、当我们再次请求该文件的时候，我们看下浏览器发送给服务器的头文件。
GET /php/last.php HTTP/1.1
Host: localhost
Connection: keep-alive
Cache-Control: max-age=0
//...这里省略部分信息
If-Modified-Since: Tue, 27 Jun 2017 15:13:02 GMT
观察一下最后一行，多了一个If-Modified-Since标签，他的时间正是服务器刚刚返回的Last-Modified的值。这个值就这样又被返回给了服务器。
4、这样就很简单啦。在动态语言端（PHP）可以直接使用$_SERVER["HTTP_IF_MODIFIED_SINCE"]即可获取时间值，接着就可以做一些简单的对比工作。如果在这个时间之后数据没有变化则直接返回304，告诉浏览器直接使用缓存，而免去数据传输的过程。
而且，最终要的是。这个过程根本无需查找数据库，所以后台程序执行时间非常短，从而大大减少用户等待时间。
这样我们就做到了动态资源也可以实现静态资源的最后修改时间，从而减少数据传输量，达到优化性能要求。
Etag
Last-Modified缺点
Last-Modified似乎已经做到了部分性能优化效果。但是，总是有些情况下不是很奏效。比如，一个用户修改了一个文件，后来用户觉得修改错误，于是又修改回去。
上面的过程中，文件内容并没有发生变化。但是，文件在系统中的物理最后修改时间却发生了变化。这种情况下，如果浏览器再次请求资源。服务器还是会发送完整数据。从而并未完全达到我们预想的效果。
于是在此之上，我们还可以添加一个ETag标签，用来进一步确认文件是否修改。
了解ETag
ETag类似于Last-Modified，也是一个header头标签。他的值是一串字符串，用于区分各个文件的版本信息，由于HTTP并没有对该值做任何的格式限制，所以可以自定义生成。
ETag的值不同于Last-Modified，他并不会在文件被修改时候就发生变化，而是在文件内容发生变化的时候才会被改变（具体什么时候改变，完全有后台业务逻辑来判断）。对于静态资源，Web服务器还是会帮我们处理好这个标签，不用考虑太多。
这里我们截取了Segmentfault的一张图片的ETag，如下图：

下面我们还是来讨论一下动态资源模拟静态资源发送ETag标签的过程：
1、这里我们还是新建一个PHP文件，其中代码是向浏览器发送一个包含ETag的头文件。

2、使用浏览器请求该PHP文件：
看下服务器返回的header头：
HTTP/1.1 200 OK
Date: Wed, 28 Jun 2017 01:45:40 GMT
Server: Apache/2.4.9 (Win64) PHP/5.5.12
X-Powered-By: PHP/5.5.12
ETag: abcd
Content-Length: 0
Keep-Alive: timeout=5, max=100
Connection: Keep-Alive
Content-Type: text/html
里面比正常的返回多了一个ETag标签，并且它的值就是我们刚刚设置的abcd
3、下面我们刷新浏览器，再次请求改页面：
注意观察下浏览器请求的头header：
GET /etags.php HTTP/1.1
Host: localhost
Connection: keep-alive
Cache-Control: max-age=0
Upgrade-Insecure-Requests: 1
User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/59.0.3071.86 Safari/537.36
Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/webp,image/apng,*/*;q=0.8
Accept-Encoding: gzip, deflate, br
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8
Cookie: Phpstorm-65418376=dceeb07b-c7af-45d6-b8be-4079e9424244; Hm_lvt_65dfcf8f1948f7203dd3fb620de01083=1497600508; admin_id=1; admin_token=072517cddaa9c106fe4662ea70a1345c
If-None-Match: abcd
仔细看下最后一行，有一个If-None-Match头标签。该标签的值正是我们刚刚接收到的服务器返回的ETag的值，这样类似于Last-Modified，我们在PHP端可以使用$_SERVER["HTTP_IF_NONE_MATCH"]直接获取我们刚刚的值。
4、获取到该值，我们就可以直接对比文件现有的ETag，来决定是直接使用浏览器缓存还是再次发送完整数据。
小结
Etag和Last-Modified非常相似，都是用来判断一个参数，从而决定是否启用缓存。但是ETag相对于Last-Modified也有他的优势，他可以更加准确的判断文件内容是否被修改，从而在实际操作中实用程度也更高。
有了这两种优化方式，对于节省流量带宽已经起到了非常大的作用。但是总是感觉还是有点儿鸡肋，毕竟每次浏览器还是要来询问一下服务器，文件是否被改变。
如果，我们可以确定，一个文件在半年内不会改变，那么我们可以让浏览器在这半年时间内都不来服务器询问，而直接使用本地缓存。这里就需要使用第三种协商方式Expires.
Expires
Expires这个单词的意思是过期，在这里表示的是过期时间。它的使用方式、格式和Last-Modified一样，都是使用浏览器头，也都是标准的GMT时间。
但是它的功能却完全不同，包含了Expires头标签的文件，就说明浏览器对于该文件缓存具有非常大的控制权。例如，一个文件的Expires值是2020年的1月1日，那么就代表，在2020年1月1日之前，浏览器都可以直接使用该文件的本地缓存文件，而不必去服务器再次请求该文件，哪怕服务器文件发生了变化。
所以，Expires是优化中最理想的情况，因为它根本不会产生请求，所以后端也就无需考虑查询快慢。
下面我们看下segmentfault的静态文件的Expires：

对于静态资源，大多数服务器是会开启expires标记功能。如果遇到没有开启的，则可以使用配置文件开启。
Apache的expires支持设置如下：

    ExpiresActive on
    ExpiresByType image/gif "access plus 1 month"
    ExpiresByType text/css "now plus 2 day"
    ExpiresDefault "now plus 1 day"

上面的配置中我们设置image/gif的格式图片缓存时间为1个月，而css文件缓存时间为2天，其他的默认为1天。
另外，对于常用静态资源。如果不在web服务器端设置expires标签，浏览器也可以智能的标记一个过期时间。比如gif图片，浏览器会设置他的过期时间为永不过期。
动态资源中使用Expires
这里我们还是拿PHP来举例
1、首先创建一个PHP文件，用于发送Expires头标签。
这里我们把文件过期时间直接设置为2020年1月1日的0点

2、使用浏览器请求该文件，观察服务器返回的头文件：
HTTP/1.1 200 OK
Date: Wed, 28 Jun 2017 02:24:18 GMT
Server: Apache/2.4.9 (Win64) PHP/5.5.12
X-Powered-By: PHP/5.5.12
Expires: Tue, 31 Dec 2019 16:00:00 GMT
Content-Length: 0
Keep-Alive: timeout=5, max=100
Connection: Keep-Alive
Content-Type: text/html
不出意外，我们已经在头文件里面发现Expires标签，并且它的值为Tue, 31 Dec 2019 16:00:00 GMT（这里不是2020年原因是由于有8个小时时差）。
3、再次使用浏览器访问改页面，发现浏览器的请求数据的路径已经变为了from cache（如下图）。

对于chrome浏览器，从network中似乎并不能看出是否使用了缓存。但是，如果打开chrome://cache/，搜索我们刚刚的地址，会发现我们请求的内容也被缓存成功。

请求方式与缓存
浏览器有3种请求服务器资源的方式


ctrl+f5：强制刷新

f5：刷新页面
浏览器地址栏回车，也就是转到功能

这3种请求方式对于资源使用缓存的影响各不不同，下面一一的解释：
1、ctrl + f5：强制刷新
这种方式是所有加载方式中使用缓存最少的方式。当使用ctrl+f5访问一个地址的时候，浏览器会强制所有的资源重新加载一次。所有的资源将会被重新缓存。
2、f5：刷新页面
f5刷新页面相当于浏览器上面的刷新按钮，是一种比较常用的刷新方式。这种方式下浏览器会使用部分必要的缓存，针对于Last-Modified有效，但是expires标签就会失去他的作用。
3、地址栏转到方式
在浏览器地址栏输入即将访问的地址后，按回车或者浏览器转到功能访问网页。这是使用最多的一种情况，也是使用最少请求服务器的方式。也就说浏览器会尽量使用本地缓存，而避免直接请求服务器数据。注意： Expires标签也只有在这种情况下有效。所以，千万不要使用f5或者ctrl+f5还奇怪expires功能无效。
cache-control
还有一点点小缺陷
了解了上面所有的缓存协商方式后，我们已经可以高效的优化我们现有的应用。但是还是存在一种可能情况，那就是之前的Last-Modified和expires都是使用服务器标准时间来标记。
而作为最后的判断者确是浏览器。所以，难免会存在用户电脑时间和服务器时间不一致的情况。
比如我们设定一个资源在未来10分钟内不会过期，而用户电脑比服务器时间快了1个小时（当然这个太少见）。那么我们设置的过期时间对于用户来讲，立即就过期了。那么我们的设置相当于白用功了。
所以为了解决这个可能出现的小缺陷，我们还可以设置一个相对于用户本地时间的缓存过期时间cache-control。
作用
cache-control和之前的Last-Modified一样，都是头文件里面的一个标签。只不过他的值是max-age=，这里的是一个数字，单位为秒。
假设我们设置一个值cahce-control:max-age=3600，那么就代表改缓存有效期是用户本地时间加上3600秒。这样，缓存的截止时间就和服务器时间没有太大关系了，从而避免了因为时间偏差带来的不良影响。
对于静态文件，如果服务器比如Apache开启了expires功能，那么也会默认的给头文件添加一个cache-control标签。
PHP设置cache-control
对于动态文件，我们可以在程序语言中向浏览器直接输出该标签。我们使用PHP做一个演示：
1、创建一个PHP文件，向浏览器输出一个包含cache-control标签的头：

2、使用浏览器请求该PHP文件，获取服务器返回头header：
HTTP/1.1 200 OK
Date: Wed, 28 Jun 2017 12:33:16 GMT
Server: Apache/2.4.9 (Win32) PHP/5.5.12
X-Powered-By: PHP/5.5.12
Cache-Control: max-age=3600
Content-Length: 0
Keep-Alive: timeout=5, max=98
Connection: Keep-Alive
Content-Type: text/html
观察上面的信息，可以发现其中包含cache-control标签，其值为我们刚刚设置的max-age=3600，那么就代表相对于我本地时间3600秒之后缓存过期。（完）
严颖，2017.6.28
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