浏览器缓存机制剖析

缓存一直是前端优化的主战场, 利用好缓存就成功了一半. 本篇从http请求和响应的头域入手, 让你对浏览器缓存有个整体的概念. 最终你会发现强缓存, 协商缓存 和 启发式缓存是如此的简单.

导读

我不知道拖延症是有多严重, 反正去年3月开的题, 直到今年4月才开始写.(请尽情吐槽吧)

浏览器对于请求资源, 拥有一系列成熟的缓存策略. 按照发生的时间顺序分别为存储策略, 过期策略, 协商策略, 其中存储策略在收到响应后应用, 过期策略, 协商策略在发送请求前应用. 流程图如下所示.

废话不多说, 我们先来看两张表格.

1.http header中与缓存有关的key.

key 描述 存储策略 过期策略 协商策略
Cache-Control 指定缓存机制,覆盖其它设置 ✔️ ✔️
Pragma http1.0字段,指定缓存机制 ✔️
Expires http1.0字段,指定缓存的过期时间 ✔️
Last-Modified 资源最后一次的修改时间 ✔️
ETag 唯一标识请求资源的字符串 ✔️

2.缓存协商策略用于重新验证缓存资源是否有效, 有关的key如下.

key 描述
If-Modified-Since 缓存校验字段, 值为资源最后一次的修改时间, 即上次收到的Last-Modified值
If-Unmodified-Since 同上, 处理方式与之相反
If-Match 缓存校验字段, 值为唯一标识请求资源的字符串, 即上次收到的ETag值
If-None-Match 同上, 处理方式与之相反

下面我们来看下各个头域(key)的作用.

Cache-Control

浏览器缓存里, Cache-Control是金字塔顶尖的规则, 它藐视一切其他设置, 只要其他设置与其抵触, 一律覆盖之.

不仅如此, 它还是一个复合规则, 包含多种值, 横跨 存储策略, 过期策略 两种, 同时在请求头和响应头都可设置.

语法为: “Cache-Control : cache-directive”.

Cache-directive共有如下12种(其中请求中指令7种, 响应中指令9种):

Cache-directive 描述 存储策略 过期策略 请求字段 响应字段
public 资源将被客户端和代理服务器缓存 ✔️ ✔️
private 资源仅被客户端缓存, 代理服务器不缓存 ✔️ ✔️
no-store 请求和响应都不缓存 ✔️ ✔️ ✔️
no-cache 相当于max-age:0,must-revalidate即资源被缓存, 但是缓存立刻过期, 同时下次访问时强制验证资源有效性 ✔️ ✔️ ✔️ ✔️
max-age 缓存资源, 但是在指定时间(单位为秒)后缓存过期 ✔️ ✔️ ✔️ ✔️
s-maxage 同上, 依赖public设置, 覆盖max-age, 且只在代理服务器上有效. ✔️ ✔️ ✔️
max-stale 指定时间内, 即使缓存过时, 资源依然有效 ✔️ ✔️
min-fresh 缓存的资源至少要保持指定时间的新鲜期 ✔️ ✔️
must-revalidation / proxy-revalidation 如果缓存失效, 强制重新向服务器(或代理)发起验证(因为max-stale等字段可能改变缓存的失效时间) ✔️ ✔️
only-if-cached 仅仅返回已经缓存的资源, 不访问网络, 若无缓存则返回504 ✔️
no-transform 强制要求代理服务器不要对资源进行转换, 禁止代理服务器对 Content-Encoding, Content-Range, Content-Type字段的修改(因此代理的gzip压缩将不被允许) ✔️ ✔️

假设所请求资源于4月5日缓存, 且在4月12日过期.

当max-age 与 max-stale 和 min-fresh 同时使用时, 它们的设置相互之间独立生效, 最为保守的缓存策略总是有效. 这意味着, 如果max-age=10 days, max-stale=2 days, min-fresh=3 days, 那么:

  • 根据max-age的设置, 覆盖原缓存周期, 缓存资源将在4月15日失效(5+10=15);
  • 根据max-stale的设置, 缓存过期后两天依然有效, 此时响应将返回110(Response is stale)状态码, 缓存资源将在4月14日失效(12+2=14);
  • 根据min-fresh的设置, 至少要留有3天的新鲜期, 缓存资源将在4月9日失效(12-3=9);

由于客户端总是采用最保守的缓存策略, 因此, 4月9日后, 对于该资源的请求将重新向服务器发起验证.

Pragma

http1.0字段, 通常设置为Pragma:no-cache, 作用同Cache-Control:no-cache. 当一个no-cache请求发送给一个不遵循HTTP/1.1的服务器时, 客户端应该包含pragma指令. 为此, 勾选☑️ 上disable cache时, 浏览器自动带上了pragma字段. 如下:

Pragma:no-cache

Expires

即到期时间, 以服务器时间为参考系, 其优先级比 Cache-Control:max-age 低, 两者同时出现在响应头时, Expires将被后者覆盖. 如果Expires, Cache-Control: max-age, 或 Cache-Control:s-maxage 都没有在响应头中出现, 并且也没有其它缓存的设置, 那么浏览器默认会采用一个启发式的算法, 通常会取响应头的Date_value - Last-Modified_value值的10%作为缓存时间.

如下资源便采取了启发式缓存算法.

启发式缓存生效

其缓存时间为 (Date_value - Last-Modified_value) * 10%, 计算如下:

可见该资源将于2017年4月18日23点25分41秒过期, 尝试以下两步进行验证:

1) 试着把本地时间修改为2017年4月18日23点25分40秒, 迅速刷新页面, 发现强缓存依然有效(依旧是200 OK (from disk cache)).

2) 然后又修改本地时间为2017年4月18日23点26分40秒(即往后拨1分钟), 刷新页面, 发现缓存已过期, 此时浏览器重新向服务器发起了验证, 且命中了304协商缓存, 如下所示.

缓存过期, 重新发起验证, 命中304协商缓存

3) 将本地时间恢复正常(即 2017-04-06 09:54:19). 刷新页面, 发现Date依然是4月18日, 如下所示.

本地时间恢复正常, 缓存依然有效

⚠️ Provisional headers are shown 和Date字段可以看出来, 浏览器并未发出请求, 缓存依然有效, 只不过此时Status Code显示为200 OK. (甚至我还专门打开了charles, 也没有发现该资源的任何请求, 可见这个200 OK多少有些误导人的意味)

可见, 启发式缓存算法采用的缓存时间可长可短, 因此对于常规资源, 建议明确设置缓存时间(如指定max-age 或 expires).

ETag

实体标签, 服务器资源的唯一标识符, 浏览器可以根据ETag值缓存数据, 节省带宽. 如果资源已经改变, etag可以帮助防止同步更新资源的相互覆盖. ETag 优先级比 Last-Modified 高.

If-Match

语法: If-Match: ETag_value 或者 If-Match: ETag_value, ETag_value, …

缓存校验字段, 其值为上次收到的一个或多个etag 值. 常用于判断条件是否满足, 如下两种场景:

  • 对于 GET 或 HEAD 请求, 结合 Range 头字段, 它可以保证新范围的请求和前一个来自相同的源, 如果不匹配, 服务器将返回一个416(Range Not Satisfiable)状态码的响应.
  • 对于 PUT 或者其他不安全的请求, If-Match 可用于阻止错误的更新操作, 如果不匹配, 服务器将返回一个412(Precondition Failed)状态码的响应.

If-None-Match

语法: If-None-Match: ETag_value 或者 If-None-Match: ETag_value, ETag_value, …

缓存校验字段, 结合ETag字段, 常用于判断缓存资源是否有效, 优先级比If-Modified-Since高.

  • 对于 GET 或 HEAD 请求, 如果其etags列表均不匹配, 服务器将返回200状态码的响应, 反之, 将返回304(Not Modified)状态码的响应. 无论是200还是304响应, 都至少返回 Cache-Control, Content-Location, Date, ETag, Expires, and Vary 中之一的字段.
  • 对于其他更新服务器资源的请求, 如果其etags列表匹配, 服务器将执行更新, 反之, 将返回412(Precondition Failed)状态码的响应.

Last-Modified

语法: Last-Modified: 星期,日期 月份 年份 时:分:秒 GMT

用于标记请求资源的最后一次修改时间, 格式为GMT(格林尼治标准时间). 如可用 new Date().toGMTString()获取当前GMT时间. Last-Modified 是 ETag 的fallback机制, 优先级比 ETag 低, 且只能精确到秒, 因此不太适合短时间内频繁改动的资源. 不仅如此, 服务器端的静态资源, 通常需要编译打包, 可能出现资源内容没有改变, 而Last-Modified却改变的情况.

If-Modified-Since

语法同上, 如:

缓存校验字段, 其值为上次响应头的Last-Modified值, 若与请求资源当前的Last-Modified值相同, 那么将返回304状态码的响应, 反之, 将返回200状态码响应.

If-Unmodified-Since

缓存校验字段, 语法同上. 表示资源未修改则正常执行更新, 否则返回412(Precondition Failed)状态码的响应. 常用于如下两种场景:

  • 不安全的请求, 比如说使用post请求更新wiki文档, 文档未修改时才执行更新.
  • 与 If-Range 字段同时使用时, 可以用来保证新的片段请求来自一个未修改的文档.

强缓存

一旦资源命中强缓存, 浏览器便不会向服务器发送请求, 而是直接读取缓存. Chrome下的现象是 200 OK (from disk cache) 或者 200 OK (from memory cache). 如下:

200 OK (from disk cache)

200 OK (from memory cache)

对于常规请求, 只要存在该资源的缓存, 且Cache-Control:max-age 或者expires没有过期, 那么就能命中强缓存.

协商缓存

缓存过期后, 继续请求该资源, 对于现代浏览器, 拥有如下两种做法:

  • 根据上次响应中的ETag_value, 自动往request header中添加If-None-Match字段. 服务器收到请求后, 拿If-None-Match字段的值与资源的ETag值进行比较, 若相同, 则命中协商缓存, 返回304响应.
  • 根据上次响应中的Last-Modified_value, 自动往request header中添加If-Modified-Since字段. 服务器收到请求后, 拿If-Modified-Since字段的值与资源的Last-Modified值进行比较, 若相同, 则命中协商缓存, 返回304响应.

以上, ETag优先级比Last-Modified高, 同时存在时, 前者覆盖后者. 下面通过实例来理解下强缓存和协商缓存.

如下忽略首次访问, 第二次通过 If-Modified-Since 命中了304协商缓存.

304

协商缓存的响应结果, 不仅验证了资源的有效性, 同时还更新了浏览器缓存. 主要更新内容如下:

Age:0 表示命中了代理服务器的缓存, age值为0表示代理服务器刚刚刷新了一次缓存.

Cache-Control:max-age=600 覆盖 Expires 字段, 表示从Date_value, 即 Wed, 05 Apr 2017 13:09:36 GMT 起, 10分钟之后缓存过期. 因此10分钟之内访问, 将会命中强缓存, 如下所示:

200 from cache

当然, 除了上述与缓存直接相关的字段外, http header中还包括如下间接相关的字段.

Age

出现此字段, 表示命中代理服务器的缓存. 它指的是代理服务器对于请求资源的已缓存时间, 单位为秒. 如下:

以上指的是, 代理服务器在2017年3月8日16:12:42时向源服务器发起了对该资源的请求, 目前已缓存了该资源2383321秒.

Date

指的是响应生成的时间. 请求经过代理服务器时, 返回的Date未必是最新的, 通常这个时候, 代理服务器将增加一个Age字段告知该资源已缓存了多久.

Vary

对于服务器而言, 资源文件可能不止一个版本, 比如说压缩和未压缩, 针对不同的客户端, 通常需要返回不同的资源版本. 比如说老式的浏览器可能不支持解压缩, 这个时候, 就需要返回一个未压缩的版本; 对于新的浏览器, 支持压缩, 返回一个压缩的版本, 有利于节省带宽, 提升体验. 那么怎么区分这个版本呢, 这个时候就需要Vary了.

服务器通过指定Vary: Accept-Encoding, 告知代理服务器, 对于这个资源, 需要缓存两个版本: 压缩和未压缩. 这样老式浏览器和新的浏览器, 通过代理, 就分别拿到了未压缩和压缩版本的资源, 避免了都拿同一个资源的尴尬.

如上设置, 代理服务器将针对是否压缩和浏览器类型两个维度去缓存资源. 如此一来, 同一个url, 就能针对PC和Mobile返回不同的缓存内容.

怎么让浏览器不缓存静态资源

实际上, 工作中很多场景都需要避免浏览器缓存, 除了浏览器隐私模式, 请求时想要禁用缓存, 还可以设置请求头: Cache-Control: no-cache, no-store, must-revalidate .

当然, 还有一种常用做法: 即给请求的资源增加一个版本号, 如下:

这样做的好处就是你可以自由控制什么时候加载最新的资源.

不仅如此, HTML也可以禁用缓存, 即在页面的

节点中加入标签, 代码如下:

上述虽能禁用缓存, 但只有部分浏览器支持, 而且由于代理不解析HTML文档, 故代理服务器也不支持这种方式.

IE8的异常表现

实际上, 上述缓存有关的规律, 并非所有浏览器都完全遵循. 比如说IE8.

资源缓存是否有效相关.

浏览器 前提 操作 表现 正常表现
IE8 资源缓存有效 新开一个窗口加载网页 重新发送请求(返回200) 展示缓存的页面
IE8 资源缓存失效 原浏览器窗口中单击 Enter 按钮 展示缓存的页面 重新发送请求(返回200)

Last-Modified / E-Tag 相关.

浏览器 前提 操作 表现 正常表现
IE8 资源内容没有修改 新开一个窗口加载网页 浏览器重新发送请求(返回200) 重新发送请求(返回304)
IE8 资源内容已修改 原浏览器窗口中单击 Enter 按钮 浏览器展示缓存的页面 重新发送请求(返回200)

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