最常被遗忘的 Web 性能优化：浏览器缓存

Posted 2021-04-30 SegmentFault

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。

认识浏览器缓存

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 fromdis cache或者 frommemory 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。

查看缓存

至于背后的文件，一般存在于： C:\Users\yanying\AppData\Local\Google\Chrome\UserData\Default\Cache路径中，其中 yanying是你的 windows用户名称。

缓存协商

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：

1. Last-Modified

2. ETag

3. Expires

Last-modified

定义

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。

动态资源中使用

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：

 
   
   
 

  
    
    
  
<?php
  
    
    
  
header("Last-Modified:".gmdate("D, d M Y H:i:s")." GMT");
 
   
   
 

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,27Jun201715:13:02GMT，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。

 
   
   
 

  
    
    
  
<?php
  
    
    
  
header("ETag : abcd");
 
   
   
 

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：

 
   
   
 

  
    
    
  
<IfModule mod_expires.c>
  
    
    
  
    ExpiresActive on
  
    
    
  
    ExpiresByType image/gif "access plus 1 month"
  
    
    
  
    ExpiresByType text/css "now plus 2 day"
  
    
    
  
    ExpiresDefault "now plus 1 day"
  
    
    
  
</IfModule>
 
   
   
 

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

 
   
   
 

  
    
    
  
<?php
  
    
    
  
header("Expires:".gmdate("D, d M Y H:i:s",1577808000)." GMT");
 
   
   
 

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,31Dec201916:00:00GMT（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 fromcache（如下图）。

请求方式与缓存

浏览器有3种请求服务器资源的方式

1. ctrl+f5：强制刷新

2. f5：刷新页面

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

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

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=<second>，这里的 <second>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：

 
   
   
 

  
    
    
  
<?php
  
    
    
  
header("Cache-Control:max-age=3600");
 
   
   
 

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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