H5 缓存机制浅析,移动端 Web 加载性能优化

1 H5 缓存机制介绍

H5,即 HTML5,是新一代的 HTML 标准,加入很多新的特性。离线存储(也可称为缓存机制)是其中一个非常重要的特性。H5 引入的离线存储,这意味着 web 应用可进行缓存,并可在没有因特网连接时进行访问。

H5 应用程序缓存为应用带来三个优势:

  • 离线浏览 用户可在应用离线时使用它们
  • 速度 已缓存资源加载得更快
  • 减少服务器负载 浏览器将只从服务器下载更新过或更改过的资源。

根据标准,到目前为止,H5 一共有6种缓存机制,有些是之前已有,有些是 H5 才新加入的。

  1. 浏览器缓存机制
  2. Dom Storgage(Web Storage)存储机制
  3. Web SQL Database 存储机制
  4. Application Cache(AppCache)机制
  5. Indexed Database (IndexedDB)
  6. File System API

下面我们首先分析各种缓存机制的原理、用法及特点;然后针对 Anroid 移动端 Web 性能加载优化的需求,看如果利用适当缓存机制来提高 Web 的加载性能。


2 H5 缓存机制原理分析

2.1 浏览器缓存机制

浏览器缓存机制是指通过 HTTP 协议头里的 Cache-Control(或 Expires)和 Last-Modified(或 Etag)等字段来控制文件缓存的机制。这应该是 WEB 中最早的缓存机制了,是在 HTTP 协议中实现的,有点不同于 Dom Storage、AppCache 等缓存机制,但本质上是一样的。可以理解为,一个是协议层实现的,一个是应用层实现的。

Cache-Control 用于控制文件在本地缓存有效时长。最常见的,比如服务器回包:Cache-Control:max-age=600 表示文件在本地应该缓存,且有效时长是600秒(从发出请求算起)。在接下来600秒内,如果有请求这个资源,浏览器不会发出 HTTP 请求,而是直接使用本地缓存的文件。

Last-Modified 是标识文件在服务器上的最新更新时间。下次请求时,如果文件缓存过期,浏览器通过 If-Modified-Since 字段带上这个时间,发送给服务器,由服务器比较时间戳来判断文件是否有修改。如果没有修改,服务器返回304告诉浏览器继续使用缓存;如果有修改,则返回200,同时返回最新的文件。

Cache-Control 通常与 Last-Modified 一起使用。一个用于控制缓存有效时间,一个在缓存失效后,向服务查询是否有更新。

Cache-Control 还有一个同功能的字段:Expires。Expires 的值一个绝对的时间点,如:Expires: Thu, 10 Nov 2015 08:45:11 GMT,表示在这个时间点之前,缓存都是有效的。

Expires 是 HTTP1.0 标准中的字段,Cache-Control 是 HTTP1.1 标准中新加的字段,功能一样,都是控制缓存的有效时间。当这两个字段同时出现时,Cache-Control 是高优化级的。

Etag 也是和 Last-Modified 一样,对文件进行标识的字段。不同的是,Etag 的取值是一个对文件进行标识的特征字串。在向服务器查询文件是否有更新时,浏览器通过 If-None-Match 字段把特征字串发送给服务器,由服务器和文件最新特征字串进行匹配,来判断文件是否有更新。没有更新回包304,有更新回包200。Etag 和 Last-Modified 可根据需求使用一个或两个同时使用。两个同时使用时,只要满足基中一个条件,就认为文件没有更新。

另外有两种特殊的情况:

  • 手动刷新页面(F5),浏览器会直接认为缓存已经过期(可能缓存还没有过期),在请求中加上字段:Cache-Control:max-age=0,发包向服务器查询是否有文件是否有更新。
  • 强制刷新页面(Ctrl+F5),浏览器会直接忽略本地的缓存(有缓存也会认为本地没有缓存),在请求中加上字段:Cache-Control:no-cache(或 Pragma:no-cache),发包向服务重新拉取文件。

下面是通过 Google Chrome 浏览器(用其他浏览器+抓包工具也可以)自带的开发者工具,对一个资源文件不同情况请求与回包的截图。

首次请求:200

缓存有效期内请求:200(from cache)

缓存过期后请求:304(Not Modified)

一般浏览器会将缓存记录及缓存文件存在本地 Cache 文件夹中。Android 下 App 如果使用 Webview,缓存的文件记录及文件内容会存在当前 app 的 data 目录中。

分析:Cache-Control 和 Last-Modified 一般用在 Web 的静态资源文件上,如 JS、CSS 和一些图像文件。通过设置资源文件缓存属性,对提高资源文件加载速度,节省流量很有意义,特别是移动网络环境。但问题是:缓存有效时长该如何设置?如果设置太短,就起不到缓存的使用;如果设置的太长,在资源文件有更新时,浏览器如果有缓存,则不能及时取到最新的文件。

Last-Modified 需要向服务器发起查询请求,才能知道资源文件有没有更新。虽然服务器可能返回304告诉没有更新,但也还有一个请求的过程。对于移动网络,这个请求可能是比较耗时的。有一种说法叫“消灭304”,指的就是优化掉304的请求。

抓包发现,带 if-Modified-Since 字段的请求,如果服务器回包304,回包带有 Cache-Control:max-age 或 Expires 字段,文件的缓存有效时间会更新,就是文件的缓存会重新有效。304回包后如果再请求,则又直接使用缓存文件了,不再向服务器查询文件是否更新了,除非新的缓存时间再次过期。

另外,Cache-Control 与 Last-Modified 是浏览器内核的机制,一般都是标准的实现,不能更改或设置。以 QQ 浏览器的 X5为例,Cache-Control 与 Last-Modified 缓存不能禁用。缓存容量是12MB,不分HOST,过期的缓存会最先被清除。如果都没过期,应该优先清最早的缓存或最快到期的或文件大小最大的;过期缓存也有可能还是有效的,清除缓存会导致资源文件的重新拉取。

还有,浏览器,如 X5,在使用缓存文件时,是没有对缓存文件内容进行校验的,这样缓存文件内容被修改的可能。

分析发现,浏览器的缓存机制还不是非常完美的缓存机制。完美的缓存机制应该是这样的:

  1. 缓存文件没更新,尽可能使用缓存,不用和服务器交互;
  2. 缓存文件有更新时,第一时间能使用到新的文件;
  3. 缓存的文件要保持完整性,不使用被修改过的缓存文件;
  4. 缓存的容量大小要能设置或控制,缓存文件不能因为存储空间限制或过期被清除。
    以X5为例,第1、2条不能同时满足,第3、4条都不能满足。

在实际应用中,为了解决 Cache-Control 缓存时长不好设置的问题,以及为了”消灭304“,Web前端采用的方式是:

  1. 在要缓存的资源文件名中加上版本号或文件 MD5值字串,如 common.d5d02a02.js,common.v1.js,同时设置 Cache-Control:max-age=31536000,也就是一年。在一年时间内,资源文件如果本地有缓存,就会使用缓存;也就不会有304的回包。
  2. 如果资源文件有修改,则更新文件内容,同时修改资源文件名,如 common.v2.js,html页面也会引用新的资源文件名。

通过这种方式,实现了:缓存文件没有更新,则使用缓存;缓存文件有更新,则第一时间使用最新文件的目的。即上面说的第1、2条。第3、4条由于浏览器内部机制,目前还无法满足。

2.2 Dom Storage 存储机制

DOM 存储是一套在 Web Applications 1.0 规范中首次引入的与存储相关的特性的总称,现在已经分离出来,单独发展成为独立的 W3C Web 存储规范。 DOM 存储被设计为用来提供一个更大存储量、更安全、更便捷的存储方法,从而可以代替掉将一些不需要让服务器知道的信息存储到 cookies 里的这种传统方法。

上面一段是对 Dom Storage 存储机制的官方表述。看起来,Dom Storage 机制类似 Cookies,但有一些优势。

Dom Storage 是通过存储字符串的 Key/Value 对来提供的,并提供 5MB (不同浏览器可能不同,分 HOST)的存储空间(Cookies 才 4KB)。另外 Dom Storage 存储的数据在本地,不像 Cookies,每次请求一次页面,Cookies 都会发送给服务器。

DOM Storage 分为 sessionStorage 和 localStorage。localStorage 对象和 sessionStorage 对象使用方法基本相同,它们的区别在于作用的范围不同。sessionStorage 用来存储与页面相关的数据,它在页面关闭后无法使用。而 localStorage 则持久存在,在页面关闭后也可以使用。

Dom Storage 提供了以下的存储接口:

sessionStorage 是个全局对象,它维护着在页面会话(page session)期间有效的存储空间。只要浏览器开着,页面会话周期就会一直持续。当页面重新载入(reload)或者被恢复(restores)时,页面会话也是一直存在的。每在新标签或者新窗口中打开一个新页面,都会初始化一个新的会话。

当浏览器被意外刷新的时候,一些临时数据应当被保存和恢复。sessionStorage 对象在处理这种情况的时候是最有用的。比如恢复我们在表单中已经填写的数据。

把上面的代码复制到 session_storage.html(也可以从附件中直接下载)页面中,用 Google Chrome 浏览器的不同 PAGE 或 WINDOW 打开,在输入框中分别输入不同的文字,再点击“Save”,然后分别刷新。每个 PAGE 或 WINDOW 显示都是当前PAGE输入的内容,互不影响。关闭 PAGE,再重新打开,上一次输入保存的内容已经没有了。

Local Storage 的接口、用法与 Session Storage 一样,唯一不同的是:Local Storage 保存的数据是持久性的。当前 PAGE 关闭(Page Session 结束后),保存的数据依然存在。重新打开PAGE,上次保存的数据可以获取到。另外,Local Storage 是全局性的,同时打开两个 PAGE 会共享一份存数据,在一个PAGE中修改数据,另一个 PAGE 中是可以感知到的。

将上面代码复制到 local_storage.html 的页面中,用浏览器打开,pageLoadCount 的值是1;关闭 PAGE 重新打开,pageLoadCount 的值是2。这是因为第一次的值已经保存了。

用两个 PAGE 同时打开 local_storage.html,并分别交替刷新,发现两个 PAGE 是共享一个 pageLoadCount 的。

分析:Dom Storage 给 Web 提供了一种更录活的数据存储方式,存储空间更大(相对 Cookies),用法也比较简单,方便存储服务器或本地的一些临时数据。

从 DomStorage 提供的接口来看,DomStorage 适合存储比较简单的数据,如果要存储结构化的数据,可能要借助 JASON了,将要存储的对象转为 JASON 字串。不太适合存储比较复杂或存储空间要求比较大的数据,也不适合存储静态的文件等。

在 Android 内嵌 Webview 中,需要通过 Webview 设置接口启用 Dom Storage。

拿 Android 类比的话,Web 的 Dom Storage 机制类似于 Android 的 SharedPreference 机制。

2.3 Web SQL Database存储机制

H5 也提供基于 SQL 的数据库存储机制,用于存储适合数据库的结构化数据。根据官方的标准文档,Web SQL Database 存储机制不再推荐使用,将来也不再维护,而是推荐使用 AppCache 和 IndexedDB。

现在主流的浏览器(点击查看浏览器支持情况)都还是支持 Web SQL Database 存储机制的。Web SQL Database 存储机制提供了一组 API 供 Web App 创建、存储、查询数据库。

下面通过简单的例子,演示下 Web SQL Database 的使用。

将上面代码复制到 sql_database.html 中,用浏览器打开,可看到下面的内容。

官方建议浏览器在实现时,对每个 HOST 的数据库存储空间作一定限制,建议默认是 5MB(分 HOST)的配额;达到上限后,可以申请更多存储空间。另外,现在主流浏览器 SQL Database 的实现都是基于 SQLite。

分析:SQL Database 的主要优势在于能够存储结构复杂的数据,能充分利用数据库的优势,可方便对数据进行增加、删除、修改、查询。由于 SQL 语法的复杂性,使用起来麻烦一些。SQL Database 也不太适合做静态文件的缓存。

在 Android 内嵌 Webview 中,需要通过 Webview 设置接口启用 SQL Database,同时还要设置数据库文件的存储路径。

Android 系统也使用了大量的数据库用来存储数据,比如联系人、短消息等;数据库的格式也 SQLite。Android 也提供了 API 来操作 SQLite。Web SQL Database 存储机制就是通过提供一组 API,借助浏览器的实现,将这种 Native 的功能提供给了 Web App。

2.4 Application Cache 机制

Application Cache(简称 AppCache)似乎是为支持 Web App 离线使用而开发的缓存机制。它的缓存机制类似于浏览器的缓存(Cache-Control 和 Last-Modified)机制,都是以文件为单位进行缓存,且文件有一定更新机制。但 AppCache 是对浏览器缓存机制的补充,不是替代。

先拿 W3C 官方的一个例子,说下 AppCache 机制的用法与功能。

上面 HTML 文档,引用外部一个 JS 文件和一个 GIF 图片文件,在其 HTML 头中通过 manifest 属性引用了一个 appcache 结尾的文件。

我们在 Google Chrome 浏览器中打开这个 HTML 链接,JS 功能正常,图片也显示正常。禁用网络,关闭浏览器重新打开这个链接,发现 JS 工作正常,图片也显示正常。当然也有可能是浏览缓存起的作用,我们可以在文件的浏览器缓存过期后,禁用网络再试,发现 HTML 页面也是正常的。

通过 Google Chrome 浏览器自带的工具,我们可以查看已经缓存的 AppCache(分 HOST)。

上面截图中的缓存,就是我们刚才打开 HTML 的页面 AppCache。从截图中看,HTML 页面及 HTML 引用的 JS、GIF 图像文件都被缓存了;另外 HTML 头中 manifest 属性引用的 appcache 文件也缓存了。

AppCache 的原理有两个关键点:manifest 属性和 manifest 文件。

HTML 在头中通过 manifest 属性引用 manifest 文件。manifest 文件,就是上面以 appcache 结尾的文件,是一个普通文件文件,列出了需要缓存的文件。

上面截图中的 manifest 文件,就 HTML 代码引用的 manifest 文件。文件比较简单,第一行是关键字,第二、三行就是要缓存的文件路径(相对路径)。这只是最简单的 manifest 文件,完整的还包括其他关键字与内容。引用 manifest 文件的 HTML 和 manifest 文件中列出的要缓存的文件最终都会被浏览器缓存。

完整的 manifest 文件,包括三个 Section,类型 Windows 中 ini 配置文件的 Section,不过不要中括号。

  1. CACHE MANIFEST – Files listed under this header will be cached after they are downloaded for the first time
  2. NETWORK – Files listed under this header require a connection to the server, and will never be cached
  3. FALLBACK – Files listed under this header specifies fallback pages if a page is inaccessible

完整的 manifest 文件,如:

总的来说,浏览器在首次加载 HTML 文件时,会解析 manifest 属性,并读取 manifest 文件,获取 Section:CACHE MANIFEST 下要缓存的文件列表,再对文件缓存。

AppCache 的缓存文件,与浏览器的缓存文件分开存储的,还是一份?应该是分开的。因为 AppCache 在本地也有 5MB(分 HOST)的空间限制。

AppCache 在首次加载生成后,也有更新机制。被缓存的文件如果要更新,需要更新 manifest 文件。因为浏览器在下次加载时,除了会默认使用缓存外,还会在后台检查 manifest 文件有没有修改(byte by byte)。发现有修改,就会重新获取 manifest 文件,对 Section:CACHE MANIFEST 下文件列表检查更新。manifest 文件与缓存文件的检查更新也遵守浏览器缓存机制。

如用用户手动清了 AppCache 缓存,下次加载时,浏览器会重新生成缓存,也可算是一种缓存的更新。另外, Web App 也可用代码实现缓存更新。

分析:AppCache 看起来是一种比较好的缓存方法,除了缓存静态资源文件外,也适合构建 Web 离线 App。在实际使用中有些需要注意的地方,有一些可以说是”坑“。

  1. 要更新缓存的文件,需要更新包含它的 manifest 文件,那怕只加一个空格。常用的方法,是修改 manifest 文件注释中的版本号。如:# 2012-02-21 v1.0.0
  2. 被缓存的文件,浏览器是先使用,再通过检查 manifest 文件是否有更新来更新缓存文件。这样缓存文件可能用的不是最新的版本。
  3. 在更新缓存过程中,如果有一个文件更新失败,则整个更新会失败。
  4. manifest 和引用它的HTML要在相同 HOST。
  5. manifest 文件中的文件列表,如果是相对路径,则是相对 manifest 文件的相对路径。
  6. manifest 也有可能更新出错,导致缓存文件更新失败。
  7. 没有缓存的资源在已经缓存的 HTML 中不能加载,即使有网络。例如:http://appcache-demo.s3-website-us-east-1.amazonaws.com/without-network/
  8. manifest 文件本身不能被缓存,且 manifest 文件的更新使用的是浏览器缓存机制。所以 manifest 文件的 Cache-Control 缓存时间不能设置太长。

另外,根据官方文档,AppCache 已经不推荐使用了,标准也不会再支持。现在主流的浏览器都是还支持 AppCache的,以后就不太确定了。

在Android 内嵌 Webview中,需要通过 Webview 设置接口启用 AppCache,同时还要设置缓存文件的存储路径,另外还可以设置缓存的空间大小。

2.5 Indexed Database

IndexedDB 也是一种数据库的存储机制,但不同于已经不再支持的 Web SQL Database。IndexedDB 不是传统的关系数据库,可归为 NoSQL 数据库。IndexedDB 又类似于 Dom Storage 的 key-value 的存储方式,但功能更强大,且存储空间更大。

IndexedDB 存储数据是 key-value 的形式。Key 是必需,且要唯一;Key 可以自己定义,也可由系统自动生成。Value 也是必需的,但 Value 非常灵活,可以是任何类型的对象。一般 Value 都是通过 Key 来存取的。

IndexedDB 提供了一组 API,可以进行数据存、取以及遍历。这些 API 都是异步的,操作的结果都是在回调中返回。

下面代码演示了 IndexedDB 中 DB 的打开(创建)、存储对象(可理解成有关系数据的”表“)的创建及数据存取、遍历基本功能。

将上面的代码复制到 indexed_db.html 中,用 Google Chrome 浏览器打开,就可以添加、查询数据。在 Chrome 的开发者工具中,能查看创建的 DB 、存储对象(可理解成表)以及表中添加的数据。

IndexedDB 有个非常强大的功能,就是 index(索引)。它可对 Value 对象中任何属性生成索引,然后可以基于索引进行 Value 对象的快速查询。

要生成索引或支持索引查询数据,需求在首次生成存储对象时,调用接口生成属性的索引。可以同时对对象的多个不同属性创建索引。如下面代码就对name 和 email 两个属性都生成了索引。

生成索引后,就可以基于索引进行数据的查询。

分析:IndexedDB 是一种灵活且功能强大的数据存储机制,它集合了 Dom Storage 和 Web SQL Database 的优点,用于存储大块或复杂结构的数据,提供更大的存储空间,使用起来也比较简单。可以作为 Web SQL Database 的替代。不太适合静态文件的缓存。

  1. 以key-value 的方式存取对象,可以是任何类型值或对象,包括二进制。
  2. 可以对对象任何属性生成索引,方便查询。
  3. 较大的存储空间,默认推荐250MB(分 HOST),比 Dom Storage 的5MB 要大的多。
  4. 通过数据库的事务(tranction)机制进行数据操作,保证数据一致性。
  5. 异步的 API 调用,避免造成等待而影响体验。

Android 在4.4开始加入对 IndexedDB 的支持,只需打开允许 JS 执行的开关就好了。

2.6 File System API

File System API 是 H5 新加入的存储机制。它为 Web App 提供了一个虚拟的文件系统,就像 Native App 访问本地文件系统一样。由于安全性的考虑,这个虚拟文件系统有一定的限制。Web App 在虚拟的文件系统中,可以进行文件(夹)的创建、读、写、删除、遍历等操作。

File System API 也是一种可选的缓存机制,和前面的 SQLDatabase、IndexedDB 和 AppCache 等一样。File System API 有自己的一些特定的优势:

  1. 可以满足大块的二进制数据( large binary blobs)存储需求。
  2. 可以通过预加载资源文件来提高性能。
  3. 可以直接编辑文件。

浏览器给虚拟文件系统提供了两种类型的存储空间:临时的和持久性的。临时的存储空间是由浏览器自动分配的,但可能被浏览器回收;持久性的存储空间需要显示的申请,申请时浏览器会给用户一提示,需要用户进行确认。持久性的存储空间是 WebApp 自己管理,浏览器不会回收,也不会清除内容。持久性的存储空间大小是通过配额来管理的,首次申请时会一个初始的配额,配额用完需要再次申请。

虚拟的文件系统是运行在沙盒中。不同 WebApp 的虚拟文件系统是互相隔离的,虚拟文件系统与本地文件系统也是互相隔离的。

File System API 提供了一组文件与文件夹的操作接口,有同步和异步两个版本,可满足不同的使用场景。下面通过一个文件创建、读、写的例子,演示下简单的功能与用法。

将上面代码复制到 file_system_api.html 文件中,用 Google Chrome 浏览器打开(现在 File System API 只有 Chrome 43+、Opera 32+ 以及 Chrome for Android 46+ 这三个浏览器支持)。由于 Google Chrome 禁用了本地 HTML 文件中的 File System API功能,在启动 Chrome 时,要加上”—allow-file-access-from-files“命令行参数。

上面截图,左边是 HTML 运行的结果,右边是 Chrome 开发者工具中看到的 Web 的文件系统。基本上 H5的几种缓存机制的数据都能在这个开发者工具看到,非常方便。

分析:File System API 给 Web App 带来了文件系统的功能,Native 文件系统的功能在 Web App 中都有相应的实现。任何需要通过文件来管理数据,或通过文件系统进行数据管理的场景都比较适合。

到目前,Android 系统的 Webview 还不支持 File System API。


3 移动端 Web 加载性能(缓存)优化

分析完 H5提供的各种缓存机制,回到移动端(针对 Android,可能也适用于 iOS)的场景。现在 Android App(包括手 Q 和 WX)大多嵌入了 Webview 的组件(系统 Webview 或 QQ 游览器的 X5组件),通过内嵌Webview 来加载一些H5的运营活动页面或资讯页。这样可充分发挥Web前端的优势:快速开发、发布,灵活上下线。但 Webview 也有一些不可忽视的问题,比较突出的就是加载相对较慢,会相对消耗较多流量。

通过对一些 H5页面进行调试及抓包发现,每次加载一个 H5页面,都会有较多的请求。除了 HTML 主 URL 自身的请求外,HTML外部引用的 JS、CSS、字体文件、图片都是一个独立的 HTTP 请求,每一个请求都串行的(可能有连接复用)。这么多请求串起来,再加上浏览器解析、渲染的时间,Web 整体的加载时间变得较长;请求文件越多,消耗的流量也会越多。我们可综合使用上面说到几种缓存机制,来帮助我们优化 Web 的加载性能。

结论:综合各种缓存机制比较,对于静态文件,如 JS、CSS、字体、图片等,适合通过浏览器缓存机制来进行缓存,通过缓存文件可大幅提升 Web 的加载速度,且节省流量。但也有一些不足:缓存文件需要首次加载后才会产生;浏览器缓存的存储空间有限,缓存有被清除的可能;缓存的文件没有校验。要解决这些不足,可以参考手 Q 的离线包,它有效的解决了这些不足。

对于 Web 在本地或服务器获取的数据,可以通过 Dom Storage 和 IndexedDB 进行缓存。也在一定程度上减少和 Server 的交互,提高加载速度,同时节省流量。

当然 Web 的性能优化,还包括选择合适的图片大小,避免 JS 和 CSS 造成的阻塞等。这就需要 Web 前端的同事根据一些规范和一些调试工具进行优化了。

腾讯Bugly特约作者:贺辉超

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