缓存的作用

缓存对于Web服务至关重要，尤其对于大型高负载Web站点。缓存作为性能优化的一个重要手段，可以在极大程度上减轻后端服务器的负载。通常对于静态资源，即不经常更新的资源，如图片，CSS或JS等进行缓存，而不用每次都向服务器请求，这样就可以减轻服务器的压力。

缓存的分类

缓存可以分为客户端缓存和服务端缓存。

• 客户端缓存指的是浏览器缓存, 浏览器缓存是最快的缓存, 因为它直接从本地获取(但有可能需要发送一个协商缓存的请求), 它的优势是可以减少网络流量, 加快请求速度。

• 服务端缓存指的是反向代理服务器或CDN的缓存, 他的作用是用于减轻后端实际的Web Server的压力。

浏览器缓存可以分为两种模式，强缓存和协商缓存。

• 强缓存（无HTTP请求，无需协商）

  直接读取本地缓存，无需向服务端发送请求确认，HTTP返回状态码是200（from memory cache或者from disk cache ，不同浏览器返回的信息不一致的）。

  相关的HTTP Header有:

  • Cache-Control
  • Expires

• 协商缓存（有HTTP请求，需协商）

  浏览器虽然发现了本地有该资源的缓存，但是缓存已经过期，于是向服务器询问缓存内容是否还可以使用，若服务器认为浏览器的缓存内容还可用，那么便会返回304（Not Modified）HTTP状态码，告诉浏览器读取本地缓存；如果服务器认为浏览器的缓存内容已经改变，则返回新的请求的资源。

  相关的HTTP Header有:

  • Last-Modified
  • ETag

缓存校验流程

由于网站内容的经常变化，为了保持缓存的内容与网站服务器的内容一致，客户端会通过内容缓存的有效期（强制缓存）以及Web服务器提供的访问请求的校验（协商缓存），快速判断请求的内容是否已经更新。客户端缓存校验流程图如下：

强制缓存

强制缓存原理： 浏览器在加载资源的时候，会先根据本地缓存资源的header中的信息(Expires 和 Cache-Control)来判断缓存是否过期。如果缓存没有过期，则会直接使用缓存中的资源；否则，会向服务端发起协商缓存的请求。

客户端判断缓存是否过期和先前请求时服务端返回的HTTP消息头字段有关：

协商缓存

协商缓存原理： 当客户端向服务端发起请求时，服务端会检查请求中是否有对应的标识（If-Modified-Since或Etag），如果没有对应的标识，服务器端会返回标识给客户端，客户端下次再次请求的时候，把该标识带过去，然后服务器端会验证该标识，如果验证通过了，则会响应304，告诉浏览器读取缓存。如果标识没有通过，则返回请求的资源。

Last-Modified与If-Modified-Since属于HTTP/1.0，是用于服务端对响应数据修改时间进行校验的服务端校验方法。Last-Modified的值是由服务端生成后传递给客户端的，客户端发送请求时，会将本地内容缓存中的Last-Modified的值由请求消息头的If-Modified-Since字段传递给服务端，如果服务端的被请求的内容的最后修改时间和If-Modified-Since的（默认是exact精确匹配）值不一致，则将返回新的内容，否则返回响应状态码304，客户端将使用本地缓存。

Etag与If-None-Match属于HTTP/1.1，优先级高于Last-Modified的验证，是用于服务端对响应数据进行实体标签校验的服务端校验方法。Etag类似于身份指纹，是一个可以与Web资源关联的记号。当客户端第一次发起请求时，Etag的值在响应头中传递给客户端；当客户端再次发起请求时，如果验证完本地内容缓存后需要发起服务端验证，Etag的值将由请求消息头的If-None-Match字段传递给服务端。如果服务端验证If-None-Match的值与服务端的Etag值不匹配，则认为请求的内容已经更新，服务端将会返回新的内容，否则返回响应状态码304，客户端将使用本地缓存。

下图可以看到客户端第一次请求时，客户端请求中没有If-Modified-Since和Etag标识，服务端响应了200，并且返回了Etag和Last-Modified消息头。

当第二次客户端请求时，带上了If-Modified-Since和If-None-Match消息头，并且服务端经过校验后返回了304让客户端使用本地缓存。

用户行为对浏览器缓存的影响

当按下F5或者刷新时，客户端浏览器会添加请求消息头字段Cache-Control: max-age=0，该请求不进行内容缓存的本地验证，会直接向Web服务器发起请求，服务端根据If-Modified-Since或者If-None-Match的值进行验证。

当按下Ctrl+F5或者强制刷新时，客户端浏览器会添加请求消息头字段Cache-Control: no-cache，并且忽略所有服务端验证的消息头字段(Etag和Last-Modified)，该请求不进行内容缓存的本地验证，它会直接向Web服务器发起请求，因为请求中没有携带服务端验证的消息头字段，服务端会直接返回新的内容。

Cache-Control字段在请求和响应中的含义

客户端请求

• max-age：不想要在代理服务器中缓存了太长时间(>max-age seconds)的资源。
• max-stale：可以接收代理服务器上的过期缓存。若max-stable后没有值，则表示无论过期多久客户端都可以使用。
• min-fresh：要求服务器使用其缓存时，至少保证在min-fresh秒内不会过期。
• no-cache：告诉代理服务器，不能直接使用已有缓存作为响应返回，除非带着缓存条件到上游服务端得到 304 验证返回码才可使用现有缓存。
• no-store：告诉各代理服务器不得缓存这个请求及其相应。
• no-transform： 告诉代理服务器不要修改消息包体的内容。
• only-if-cached：告诉代理服务器仅能返回缓存，没有缓存的话就返回 504。

服务端响应

• max-age：告诉客户端缓存 Age 超出 max-age 秒后则缓存过期。
• s-maxage：与max-age相似，但仅针对共享缓存，且优先级高于max-age和Expires。
• public：可以被所有的用户缓存，包括终端用户和 CDN 等中间代理服务器。
• private： 只能被终端用户的浏览器缓存，不允许 CDN 等中继缓存服务器对其缓存。
• no-store：告诉所有下游节点不能对响应进行缓存。
• no-cache： 告诉客户端不能直接使用缓存的响应，使用前必须在源服务器验证得到304返回码。
• no-transform：告诉代理服务器不能修改消息包体的内容。
• must-revalidate：告诉客户端一旦缓存过期，必须向服务器验证后才可使用。
• proxy-revalidate：与 must-revalidate 类似，但它仅对代理服务器的共享缓存有效。