彻底弄懂浏览器缓存机制及原理

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彻底弄懂浏览器缓存机制及原理

前言

浏览器缓存机制作为 web 性能优化的重要手段，对于从事 Web 开发的同学们来说，应该是知识体系库中的一个基础环节，同时对于有志成为前端架构师的同学来说是必备的知识技能。

但是对于很多前端同学来说，仅仅只是知道浏览器会对请求的静态文件进行缓存，但是为什么被缓存，缓存是怎样生效的，却并不是很清楚。

在此，我会尝试用简单明了的文字，向大家系统的介绍浏览器缓存机制，期望对各位正确的理解前端缓存有所帮助。

缓存位置

按缓存位置分类，共分为四种，并且有优先级之分：

• Service Worker
• Memory Cache
• Disk Cache
• Push Cache

TODO 没有弄出来优先级

Service Worker

Service Worker 是运行在浏览器背后的独立线程，我们可以将 Service Worker 当做网络请求的代理，对于需要缓存的资源进行请求时，先判断是否有缓存，有缓存直接返回，没有缓存继续请求资源，请求后将资源缓存到 Service Worker 中。

与其他缓存方式不同的是，Service Worker 可以让我们自由控制缓存哪些文件、如何匹配缓存、如何读取缓存，并且缓存是持续性的。

Service Worker 缓存的资源是持久化的，及时 tab 页关闭或者浏览器重启，保存在 Service Worker 中的资源也不会消失。

接下来，简单说明一下，如何使用 Service Worker 进行拦截并获取缓存：

注册

要想使用 Service Worker ，首先需要对 Service Worker 进行注册：

if ('serviceWorker' in navigator) {
    navigator.serviceWorker
        .register('./sw.js', {scope: '/'})
        .then(registration => {
            console.log('ServiceWorker 注册成功！作用域为: ',registration.scope)
        })
        .catch(err => {
            console.log('ServiceWorker 注册失败: ', err)
        });
}

其中sw.js是 Service Worker 的脚本，Service Worker 的所有行为逻辑都在其中呈现

安装和激活

获取资源后缓存

注意事项

需要注意的是，在开发阶段，可以通过 localhost 来使用 Service Worker ，但是一旦部署到线上后，服务器必须开启 HTTPS 才可以使用 Service Worker 。
can I use

HTTP报文

在介绍浏览器缓存之前，作为知识铺垫，先简单介绍一下 HTTP 报文。

HTTP 报文就是浏览器和服务器间通信时发送及响应的数据块。

浏览器向服务器请求数据，发送请求(request)报文。

服务器向浏览器返回数据，返回响应(response)报文。

报文信息主要分为两部分：

1. 包含属性的首部(header)
   • 附加信息（cookie，缓存信息...）
2. 包含数据的主体部分(body)
   • HTTP请求真正想要传输的部分

缓存规则解析

为方便大家理解，我们认为浏览器存在一个缓存数据库,用于存储缓存信息。

在客户端第一次请求数据时，此时缓存数据库中没有对应的缓存数据，
需要请求服务器，服务器返回后，将数据存储至缓存数据库中。

HTTP缓存有多种规则，根据是否需要重新向服务器发起请求来分类，我将其分为两大类(强制缓存，协商缓存)

在详细介绍这两种规则之前，先通过时序图的方式，让大家对这两种规则有个简单了解。

已存在缓存数据时，仅基于强制缓存，请求数据的流程如下：

已存在缓存数据时，仅基于协商缓存，请求数据的流程如下:

对缓存机制不太了解的同学可能会问，基于协商缓存的流程下，不管是否使用缓存，都需要向服务器发送请求，那么还用缓存干什么？
这个问题，我们暂且放下，后文在详细介绍每种缓存规则的时候，会带给大家答案。

我们可以看到两类缓存规则的不同，强制缓存如果生效，不需要再和服务器发生交互，而协商缓存不管是否生效，都需要与服务端发生交互。
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。

强制缓存

从上文我们得知，强制缓存，在缓存数据未失效的情况下，可以直接使用缓存数据，那么浏览器是如何判断缓存数据是否失效呢？

我们知道，在没有缓存数据的时候，浏览器向服务器请求数据时，服务器会将数据和缓存规则一并返回，缓存规则信息包含在响应header中。

对于强制缓存来说，响应header中会有两个字段来标明失效规则（Expires/Cache-Control）
使用chrome的开发者工具，可以很明显的看到对于强制缓存生效时，网络请求的情况：

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。

Cache-Control

Cache-Control 是最重要的规则。

常见的取值有private、public、no-cache、max-age，no-store，默认为private。

• private ： 客户端可以缓存
• public ： 客户端和代理服务器都可缓存（前端的同学，可以认为public和private是一样的）
• max-age=xxx ： 缓存的内容将在 xxx 秒后失效
• no-cache ： 需要使用协商缓存来验证缓存数据（后面介绍）
• no-store ： 所有内容都不会缓存，强制缓存，协商缓存都不会触发（对于前端开发来说，缓存越多越好，so...基本上和它说886）

举个例子：

图中Cache-Control仅指定了max-age，所以默认为private，缓存时间为31536000秒（365天）

也就是说，在365天内再次请求这条数据，都会直接获取缓存数据库中的数据，直接使用。

协商缓存

协商缓存，顾名思义，需要进行比较判断是否可以使用缓存。

浏览器第一次请求数据时，服务器会将缓存标识与数据一起返回给客户端，客户端将二者备份至缓存数据库中。

再次请求数据时，客户端将备份的缓存标识发送给服务器，服务器根据缓存标识进行判断，判断成功后，返回304状态码，通知客户端比较成功，可以使用缓存数据。

第一次访问

再次访问

通过两图的对比，我们可以很清楚的发现，在协商缓存生效时，状态码为304，并且报文大小和请求时间大大减少。

原因是，服务端在进行标识比较后，只返回header部分，通过状态码通知客户端使用缓存，不再需要将报文主体部分返回给客户端。

对于协商缓存来说，缓存标识的传递是我们着重需要理解的，它在请求header和响应header间进行传递，一共分为两种标识传递，接下来，我们分开介绍。

Last-Modified / If-Modified-Since

Last-Modified ：服务器在响应请求时，告诉浏览器资源的最后修改时间。

If-Modified-Since ：

• 再次请求服务器时，通过此字段通知服务器上次请求时，服务器返回的资源最后修改时间。
• 服务器收到请求后发现有头If-Modified-Since 则与被请求资源的最后修改时间进行比对。
• 若资源的最后修改时间大于If-Modified-Since，说明资源又被改动过，则响应整片资源内容，返回状态码200；
• 若资源的最后修改时间小于或等于If-Modified-Since，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 / If-None-Match

优先级高于 Last-Modified / If-Modified-Since

Etag ：服务器响应请求时，告诉浏览器当前资源在服务器的唯一标识（生成规则由服务器决定）。.

If-None-Match ：

• 再次请求服务器时，通过此字段通知服务器客户段缓存数据的唯一标识。
• 服务器收到请求后发现有头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。

总结

对于强制缓存，服务器通知浏览器一个缓存时间，在缓存时间内，下次请求，直接用缓存，不在时间内，执行比较缓存策略。

对于比较缓存，将缓存信息中的Etag和Last-Modified通过请求发送给服务器，由服务器校验，返回304状态码时，浏览器直接使用缓存。

浏览器第一次请求：

浏览器再次请求：