大家都知道緩存的英文叫做 cache。但我發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：這個(gè)單詞在不同人的口中有不同的讀音。為了全面了解緩存，我們得先從讀音開(kāi)始，這樣才能夠在和其他同事(例如 PM)交(zhuāng)流(bī)時(shí)體現(xiàn)自己的修(bī)養(yǎng)(gé)。

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cache 怎么念

在國(guó)外 IT 圈和大部分國(guó)外視頻中，cache 的發(fā)音是 /kæʃ/(同 cash)，這也是一個(gè)廣泛認(rèn)可的發(fā)音。但我發(fā)現(xiàn)在中國(guó)的 IT 圈還有相當(dāng)一部分程序員(比如我自己……)讀作 /kætʃ/(同 catch)。雖然不太正確，但并不妨礙互相交流。(不過(guò)為了純正，還是應(yīng)該向正確的方向靠攏)

此外還有一些小眾的讀法，例如 /keɪʃ/(同 kaysh)，甚至 /kæʃeɪ/(像個(gè)法語(yǔ)發(fā)音，重音在后面)。這些因?yàn)樘”娏耍赡軙?huì)引起溝通障礙，估計(jì)只有在特定場(chǎng)合或者特定圈子才能順暢使用。

前端緩存/后端緩存

扯了些沒(méi)用的，我們先進(jìn)入定義環(huán)節(jié)：什么是前端緩存？與之相對(duì)的什么又是后端緩存？

基本的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求就是三個(gè)步驟：請(qǐng)求，處理，響應(yīng)。

后端緩存主要集中于“處理”步驟，通過(guò)保留數(shù)據(jù)庫(kù)連接，存儲(chǔ)處理結(jié)果等方式縮短處理時(shí)間，盡快進(jìn)入“響應(yīng)”步驟。當(dāng)然這不在本文的討論范圍之內(nèi)。

而前端緩存則可以在剩下的兩步：“請(qǐng)求”和“響應(yīng)”中進(jìn)行。在“請(qǐng)求”步驟中，瀏覽器也可以通過(guò)存儲(chǔ)結(jié)果的方式直接使用資源，直接省去了發(fā)送請(qǐng)求；而“響應(yīng)”步驟需要瀏覽器和服務(wù)器共同配合，通過(guò)減少響應(yīng)內(nèi)容來(lái)縮短傳輸時(shí)間。這些都會(huì)在下面進(jìn)行討論。

本文主要包含

• 按緩存位置分類(lèi) (memory cache, disk cache, Service Worker 等)
• 按失效策略分類(lèi) (Cache-Control, ETag 等)
• 幫助理解原理的一些案例
• 緩存的應(yīng)用模式

按緩存位置分類(lèi)

我看過(guò)的大部分討論緩存的文章會(huì)直接從 HTTP 協(xié)議頭中的緩存字段開(kāi)始，例如 Cache-Control, ETag, max-age 等。但偶爾也會(huì)聽(tīng)到別人討論 memory cache, disk cache 等。那這兩種分類(lèi)體系究竟有何關(guān)聯(lián)？是否有交叉？(我個(gè)人認(rèn)為這是本文的最大價(jià)值所在，因?yàn)樵趯?xiě)之前我自己也是被兩種分類(lèi)體系搞的一團(tuán)糟)

實(shí)際上，HTTP 協(xié)議頭的那些字段，都屬于 disk cache 的范疇，是幾個(gè)緩存位置的其中之一。因此本著從全局到局部的原則，我們應(yīng)當(dāng)先從緩存位置開(kāi)始討論。等講到 disk cache 時(shí)，才會(huì)詳細(xì)講述這些協(xié)議頭的字段及其作用。

我們可以在 Chrome 的開(kāi)發(fā)者工具中，Network -> Size 一列看到一個(gè)請(qǐng)求最終的處理方式：如果是大小 (多少 K， 多少 M 等) 就表示是網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，否則會(huì)列出 from memory cache, from disk cache 和 from ServiceWorker。

它們的優(yōu)先級(jí)是：(由上到下尋找，找到即返回；找不到則繼續(xù))

• Service Worker
• Memory Cache
• Disk Cache
• 網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求

memory cache

memory cache 是內(nèi)存中的緩存，(與之相對(duì) disk cache 就是硬盤(pán)上的緩存)。按照操作系統(tǒng)的常理：先讀內(nèi)存，再讀硬盤(pán)。disk cache 將在后面介紹 (因?yàn)樗膬?yōu)先級(jí)更低一些)，這里先討論 memory cache。

幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求資源都會(huì)被瀏覽器自動(dòng)加入到 memory cache 中。但是也正因?yàn)閿?shù)量很大但是瀏覽器占用的內(nèi)存不能無(wú)限擴(kuò)大這樣兩個(gè)因素，memory cache 注定只能是個(gè)“短期存儲(chǔ)”。常規(guī)情況下，瀏覽器的 TAB 關(guān)閉后該次瀏覽的 memory cache 便告失效 (為了給其他 TAB 騰出位置)。而如果極端情況下 (例如一個(gè)頁(yè)面的緩存就占用了超級(jí)多的內(nèi)存)，那可能在 TAB 沒(méi)關(guān)閉之前，排在前面的緩存就已經(jīng)失效了。

剛才提過(guò)，幾乎所有的請(qǐng)求資源 都能進(jìn)入 memory cache，這里細(xì)分一下主要有兩塊：

preloader。如果你對(duì)這個(gè)機(jī)制不太了解，這里做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，詳情可以參閱這篇文章。

熟悉瀏覽器處理流程的同學(xué)們應(yīng)該了解，在瀏覽器打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)的過(guò)程中，會(huì)先請(qǐng)求 HTML 然后解析。之后如果瀏覽器發(fā)現(xiàn)了 js, css 等需要解析和執(zhí)行的資源時(shí)，它會(huì)使用 CPU 資源對(duì)它們進(jìn)行解析和執(zhí)行。在古老的年代(大約 2007 年以前)，“請(qǐng)求 js/css - 解析執(zhí)行 - 請(qǐng)求下一個(gè) js/css - 解析執(zhí)行下一個(gè) js/css” 這樣的“串行”操作模式在每次打開(kāi)頁(yè)面之前進(jìn)行著。很明顯在解析執(zhí)行的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求是空閑的，這就有了發(fā)揮的空間：我們能不能一邊解析執(zhí)行 js/css，一邊去請(qǐng)求下一個(gè)(或下一批)資源呢？

這就是 preloader 要做的事情。不過(guò) preloader 沒(méi)有一個(gè)官方標(biāo)準(zhǔn)，所以每個(gè)瀏覽器的處理都略有區(qū)別。例如有些瀏覽器還會(huì)下載 css 中的 @import 內(nèi)容或者 <video> 的 poster等。

而這些被 preloader 請(qǐng)求夠來(lái)的資源就會(huì)被放入 memory cache 中，供之后的解析執(zhí)行操作使用。

preload (雖然看上去和剛才的 preloader 就差了倆字母)。實(shí)際上這個(gè)大家應(yīng)該更加熟悉一些，例如 <link rel="preload">。這些顯式指定的預(yù)加載資源，也會(huì)被放入 memory cache 中。

memory cache 機(jī)制保證了一個(gè)頁(yè)面中如果有兩個(gè)相同的請(qǐng)求 (例如兩個(gè) src 相同的 <img>，兩個(gè) href 相同的 <link>)都實(shí)際只會(huì)被請(qǐng)求最多一次，避免浪費(fèi)。

不過(guò)在匹配緩存時(shí)，除了匹配完全相同的 URL 之外，還會(huì)比對(duì)他們的類(lèi)型，CORS 中的域名規(guī)則等。因此一個(gè)作為腳本 (script) 類(lèi)型被緩存的資源是不能用在圖片 (image) 類(lèi)型的請(qǐng)求中的，即便他們 src 相等。

在從 memory cache 獲取緩存內(nèi)容時(shí)，瀏覽器會(huì)忽視例如 max-age=0, no-cache 等頭部配置。例如頁(yè)面上存在幾個(gè)相同 src 的圖片，即便它們可能被設(shè)置為不緩存，但依然會(huì)從 memory cache 中讀取。這是因?yàn)?memory cache 只是短期使用，大部分情況生命周期只有一次瀏覽而已。而 max-age=0 在語(yǔ)義上普遍被解讀為“不要在下次瀏覽時(shí)使用”，所以和 memory cache 并不沖突。

但如果站長(zhǎng)是真心不想讓一個(gè)資源進(jìn)入緩存，就連短期也不行，那就需要使用 no-store。存在這個(gè)頭部配置的話，即便是 memory cache 也不會(huì)存儲(chǔ)，自然也不會(huì)從中讀取了。(后面的第二個(gè)示例有關(guān)于這點(diǎn)的體現(xiàn))

disk cache

disk cache 也叫 HTTP cache，顧名思義是存儲(chǔ)在硬盤(pán)上的緩存，因此它是持久存儲(chǔ)的，是實(shí)際存在于文件系統(tǒng)中的。而且它允許相同的資源在跨會(huì)話，甚至跨站點(diǎn)的情況下使用，例如兩個(gè)站點(diǎn)都使用了同一張圖片。

disk cache 會(huì)嚴(yán)格根據(jù) HTTP 頭信息中的各類(lèi)字段來(lái)判定哪些資源可以緩存，哪些資源不可以緩存；哪些資源是仍然可用的，哪些資源是過(guò)時(shí)需要重新請(qǐng)求的。當(dāng)命中緩存之后，瀏覽器會(huì)從硬盤(pán)中讀取資源，雖然比起從內(nèi)存中讀取慢了一些，但比起網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求還是快了不少的。絕大部分的緩存都來(lái)自 disk cache。

關(guān)于 HTTP 的協(xié)議頭中的緩存字段，我們會(huì)在稍后進(jìn)行詳細(xì)討論。

凡是持久性存儲(chǔ)都會(huì)面臨容量增長(zhǎng)的問(wèn)題，disk cache 也不例外。在瀏覽器自動(dòng)清理時(shí)，會(huì)有神秘的算法去把“最老的”或者“最可能過(guò)時(shí)的”資源刪除，因此是一個(gè)一個(gè)刪除的。不過(guò)每個(gè)瀏覽器識(shí)別“最老的”和“最可能過(guò)時(shí)的”資源的算法不盡相同，可能也是它們差異性的體現(xiàn)。

Service Worker

上述的緩存策略以及緩存/讀取/失效的動(dòng)作都是由瀏覽器內(nèi)部判斷 & 進(jìn)行的，我們只能設(shè)置響應(yīng)頭的某些字段來(lái)告訴瀏覽器，而不能自己操作。舉個(gè)生活中去銀行存/取錢(qián)的例子來(lái)說(shuō)，你只能告訴銀行職員，我要存/取多少錢(qián)，然后把由他們會(huì)經(jīng)過(guò)一系列的記錄和手續(xù)之后，把錢(qián)放到金庫(kù)中去，或者從金庫(kù)中取出錢(qián)來(lái)交給你。

但 Service Worker 的出現(xiàn)，給予了我們另外一種更加靈活，更加直接的操作方式。依然以存/取錢(qián)為例，我們現(xiàn)在可以繞開(kāi)銀行職員，自己走到金庫(kù)前(當(dāng)然是有別于上述金庫(kù)的一個(gè)單獨(dú)的小金庫(kù))，自己把錢(qián)放進(jìn)去或者取出來(lái)。因此我們可以選擇放哪些錢(qián)(緩存哪些文件)，什么情況把錢(qián)取出來(lái)(路由匹配規(guī)則)，取哪些錢(qián)出來(lái)(緩存匹配并返回)。當(dāng)然現(xiàn)實(shí)中銀行沒(méi)有給我們開(kāi)放這樣的服務(wù)。

Service Worker 能夠操作的緩存是有別于瀏覽器內(nèi)部的 memory cache 或者 disk cache 的。我們可以從 Chrome 的 F12 中，Application -> Cache Storage 找到這個(gè)單獨(dú)的“小金庫(kù)”。除了位置不同之外，這個(gè)緩存是永久性的，即關(guān)閉 TAB 或者瀏覽器，下次打開(kāi)依然還在(而 memory cache 不是)。有兩種情況會(huì)導(dǎo)致這個(gè)緩存中的資源被清除：手動(dòng)調(diào)用 API cache.delete(resource) 或者容量超過(guò)限制，被瀏覽器全部清空。

如果 Service Worker 沒(méi)能命中緩存，一般情況會(huì)使用 fetch() 方法繼續(xù)獲取資源。這時(shí)候，瀏覽器就去 memory cache 或者 disk cache 進(jìn)行下一次找緩存的工作了。注意：經(jīng)過(guò) Service Worker 的 fetch() 方法獲取的資源，即便它并沒(méi)有命中 Service Worker 緩存，甚至實(shí)際走了網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，也會(huì)標(biāo)注為 from ServiceWorker。這個(gè)情況在后面的第三個(gè)示例中有所體現(xiàn)。

請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)

如果一個(gè)請(qǐng)求在上述 3 個(gè)位置都沒(méi)有找到緩存，那么瀏覽器會(huì)正式發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求去獲取內(nèi)容。之后容易想到，為了提升之后請(qǐng)求的緩存命中率，自然要把這個(gè)資源添加到緩存中去。具體來(lái)說(shuō)：

• 根據(jù) Service Worker 中的 handler 決定是否存入 Cache Storage (額外的緩存位置)。
• 根據(jù) HTTP 頭部的相關(guān)字段(Cache-control, Pragma 等)決定是否存入 disk cache
• memory cache 保存一份資源 的引用，以備下次使用。

按失效策略分類(lèi)

memory cache 是瀏覽器為了加快讀取緩存速度而進(jìn)行的自身的優(yōu)化行為，不受開(kāi)發(fā)者控制，也不受 HTTP 協(xié)議頭的約束，算是一個(gè)黑盒。Service Worker 是由開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)的額外的腳本，且緩存位置獨(dú)立，出現(xiàn)也較晚，使用還不算太廣泛。所以我們平時(shí)最為熟悉的其實(shí)是 disk cache，也叫 HTTP cache (因?yàn)椴幌?memory cache，它遵守 HTTP 協(xié)議頭中的字段)。平時(shí)所說(shuō)的強(qiáng)制緩存，對(duì)比緩存，以及 Cache-Control 等，也都?xì)w于此類(lèi)。

強(qiáng)制緩存 (也叫強(qiáng)緩存)

強(qiáng)制緩存的含義是，當(dāng)客戶端請(qǐng)求后，會(huì)先訪問(wèn)緩存數(shù)據(jù)庫(kù)看緩存是否存在。如果存在則直接返回；不存在則請(qǐng)求真的服務(wù)器，響應(yīng)后再寫(xiě)入緩存數(shù)據(jù)庫(kù)。

強(qiáng)制緩存直接減少請(qǐng)求數(shù)，是提升最大的緩存策略。 它的優(yōu)化覆蓋了文章開(kāi)頭提到過(guò)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)的全部三個(gè)步驟。如果考慮使用緩存來(lái)優(yōu)化網(wǎng)頁(yè)性能的話，強(qiáng)制緩存應(yīng)該是首先被考慮的。

Expires

這是 HTTP 1.0 的字段，表示緩存到期時(shí)間，是一個(gè)絕對(duì)的時(shí)間 (當(dāng)前時(shí)間+緩存時(shí)間)，如

可以造成強(qiáng)制緩存的字段是 Cache-control 和 Expires。

Expires: Thu, 10 Nov 2017 08:45:11 GMT 

在響應(yīng)消息頭中，設(shè)置這個(gè)字段之后，就可以告訴瀏覽器，在未過(guò)期之前不需要再次請(qǐng)求。

但是，這個(gè)字段設(shè)置時(shí)有兩個(gè)缺點(diǎn)：

• 由于是絕對(duì)時(shí)間，用戶可能會(huì)將客戶端本地的時(shí)間進(jìn)行修改，而導(dǎo)致瀏覽器判斷緩存失效，重新請(qǐng)求該資源。此外，即使不考慮自信修改，時(shí)差或者誤差等因素也可能造成客戶端與服務(wù)端的時(shí)間不一致，致使緩存失效。
• 寫(xiě)法太復(fù)雜了。表示時(shí)間的字符串多個(gè)空格，少個(gè)字母，都會(huì)導(dǎo)致非法屬性從而設(shè)置失效。

Cache-control

已知Expires的缺點(diǎn)之后，在HTTP/1.1中，增加了一個(gè)字段Cache-control，該字段表示資源緩存的最大有效時(shí)間，在該時(shí)間內(nèi)，客戶端不需要向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求

這兩者的區(qū)別就是前者是絕對(duì)時(shí)間，而后者是相對(duì)時(shí)間。如下：

Cache-control: max-age=2592000 

下面列舉一些 Cache-control 字段常用的值：(完整的列表可以查看 MDN)

• max-age：即最大有效時(shí)間，在上面的例子中我們可以看到
• must-revalidate：如果超過(guò)了 max-age 的時(shí)間，瀏覽器必須向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，驗(yàn)證資源是否還有效。
• no-cache：雖然字面意思是“不要緩存”，但實(shí)際上還是要求客戶端緩存內(nèi)容的，只是是否使用這個(gè)內(nèi)容由后續(xù)的對(duì)比來(lái)決定。
• no-store: 真正意義上的“不要緩存”。所有內(nèi)容都不走緩存，包括強(qiáng)制和對(duì)比。
• public：所有的內(nèi)容都可以被緩存 (包括客戶端和代理服務(wù)器， 如 CDN)
• private：所有的內(nèi)容只有客戶端才可以緩存，代理服務(wù)器不能緩存。默認(rèn)值。

這些值可以混合使用，例如 Cache-control:public, max-age=2592000。在混合使用時(shí)，它們的優(yōu)先級(jí)如下圖：

這里有一個(gè)疑問(wèn)：max-age=0 和 no-cache 等價(jià)嗎？從規(guī)范的字面意思來(lái)說(shuō)，max-age 到期是 應(yīng)該(SHOULD) 重新驗(yàn)證，而 no-cache 是 必須(MUST) 重新驗(yàn)證。但實(shí)際情況以瀏覽器實(shí)現(xiàn)為準(zhǔn)，大部分情況他們倆的行為還是一致的。（如果是 max-age=0, must-revalidate 就和 no-cache 等價(jià)了）

順帶一提，在 HTTP/1.1 之前，如果想使用 no-cache，通常是使用 Pragma 字段，如 Pragma: no-cache(這也是 Pragma 字段唯一的取值)。但是這個(gè)字段只是瀏覽器約定俗成的實(shí)現(xiàn)，并沒(méi)有確切規(guī)范，因此缺乏可靠性。它應(yīng)該只作為一個(gè)兼容字段出現(xiàn)，在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下其實(shí)用處已經(jīng)很小。

總結(jié)一下，自從 HTTP/1.1 開(kāi)始，Expires 逐漸被 Cache-control 取代。Cache-control 是一個(gè)相對(duì)時(shí)間，即使客戶端時(shí)間發(fā)生改變，相對(duì)時(shí)間也不會(huì)隨之改變，這樣可以保持服務(wù)器和客戶端的時(shí)間一致性。而且 Cache-control 的可配置性比較強(qiáng)大。

Cache-control 的優(yōu)先級(jí)高于 Expires，為了兼容 HTTP/1.0 和 HTTP/1.1，實(shí)際項(xiàng)目中兩個(gè)字段我們都會(huì)設(shè)置。

對(duì)比緩存 (也叫協(xié)商緩存)

當(dāng)強(qiáng)制緩存失效(超過(guò)規(guī)定時(shí)間)時(shí)，就需要使用對(duì)比緩存，由服務(wù)器決定緩存內(nèi)容是否失效。

流程上說(shuō)，瀏覽器先請(qǐng)求緩存數(shù)據(jù)庫(kù)，返回一個(gè)緩存標(biāo)識(shí)。之后瀏覽器拿這個(gè)標(biāo)識(shí)和服務(wù)器通訊。如果緩存未失效，則返回 HTTP 狀態(tài)碼 304 表示繼續(xù)使用，于是客戶端繼續(xù)使用緩存；如果失效，則返回新的數(shù)據(jù)和緩存規(guī)則，瀏覽器響應(yīng)數(shù)據(jù)后，再把規(guī)則寫(xiě)入到緩存數(shù)據(jù)庫(kù)。

對(duì)比緩存在請(qǐng)求數(shù)上和沒(méi)有緩存是一致的，但如果是 304 的話，返回的僅僅是一個(gè)狀態(tài)碼而已，并沒(méi)有實(shí)際的文件內(nèi)容，因此 在響應(yīng)體體積上的節(jié)省是它的優(yōu)化點(diǎn)。它的優(yōu)化覆蓋了文章開(kāi)頭提到過(guò)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)的三個(gè)步驟中的最后一個(gè)：“響應(yīng)”。通過(guò)減少響應(yīng)體體積，來(lái)縮短網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間。所以和強(qiáng)制緩存相比提升幅度較小，但總比沒(méi)有緩存好。

對(duì)比緩存是可以和強(qiáng)制緩存一起使用的，作為在強(qiáng)制緩存失效后的一種后備方案。實(shí)際項(xiàng)目中他們也的確經(jīng)常一同出現(xiàn)。

對(duì)比緩存有 2 組字段(不是兩個(gè))：

Last-Modified & If-Modified-Since

1、服務(wù)器通過(guò) Last-Modified 字段告知客戶端，資源最后一次被修改的時(shí)間，例如

Last-Modified: Mon, 10 Nov 2018 09:10:11 GMT 

2、瀏覽器將這個(gè)值和內(nèi)容一起記錄在緩存數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3、下一次請(qǐng)求相同資源時(shí)時(shí)，瀏覽器從自己的緩存中找出“不確定是否過(guò)期的”緩存。因此在請(qǐng)求頭中將上次的 Last-Modified 的值寫(xiě)入到請(qǐng)求頭的 If-Modified-Since 字段

4、服務(wù)器會(huì)將 If-Modified-Since 的值與 Last-Modified 字段進(jìn)行對(duì)比。如果相等，則表示未修改，響應(yīng) 304；反之，則表示修改了，響應(yīng) 200 狀態(tài)碼，并返回?cái)?shù)據(jù)。

但是他還是有一定缺陷的：

• 如果資源更新的速度是秒以下單位，那么該緩存是不能被使用的，因?yàn)樗臅r(shí)間單位最低是秒。
• 如果文件是通過(guò)服務(wù)器動(dòng)態(tài)生成的，那么該方法的更新時(shí)間永遠(yuǎn)是生成的時(shí)間，盡管文件可能沒(méi)有變化，所以起不到緩存的作用。

Etag & If-None-Match

為了解決上述問(wèn)題，出現(xiàn)了一組新的字段 Etag 和 If-None-Match

Etag 存儲(chǔ)的是文件的特殊標(biāo)識(shí)(一般都是 hash 生成的)，服務(wù)器存儲(chǔ)著文件的 Etag 字段。之后的流程和 Last-Modified 一致，只是 Last-Modified 字段和它所表示的更新時(shí)間改變成了 Etag 字段和它所表示的文件 hash，把 If-Modified-Since 變成了 If-None-Match。服務(wù)器同樣進(jìn)行比較，命中返回 304, 不命中返回新資源和 200。

Etag 的優(yōu)先級(jí)高于 Last-Modified

緩存小結(jié)

當(dāng)瀏覽器要請(qǐng)求資源時(shí)

• 調(diào)用 Service Worker 的 fetch 事件響應(yīng)
• 查看 memory cache
• 查看 disk cache。這里又細(xì)分：
• 如果有強(qiáng)制緩存且未失效，則使用強(qiáng)制緩存，不請(qǐng)求服務(wù)器。這時(shí)的狀態(tài)碼全部是 200
• 如果有強(qiáng)制緩存但已失效，使用對(duì)比緩存，比較后確定 304 還是 200
• 發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，等待網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)
• 把響應(yīng)內(nèi)容存入 disk cache (如果 HTTP 頭信息配置可以存的話)
• 把響應(yīng)內(nèi)容 的引用 存入 memory cache (無(wú)視 HTTP 頭信息的配置)
• 把響應(yīng)內(nèi)容存入 Service Worker 的 Cache Storage (如果 Service Worker 的腳本調(diào)用了 cache.put())

一些案例

光看原理不免枯燥。我們編寫(xiě)一些簡(jiǎn)單的網(wǎng)頁(yè)，通過(guò)案例來(lái)深刻理解上面的那些原理。

1、memory cache & disk cache

我們寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的 index.html，然后引用 3 種資源，分別是 index.js, index.css 和 mashroom.jpg。

我們給這三種資源都設(shè)置上 Cache-control: max-age=86400，表示強(qiáng)制緩存 24 小時(shí)。以下截圖全部使用 Chrome 的隱身模式。

首次請(qǐng)求

毫無(wú)意外的全部走網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，因?yàn)槭裁淳彺娑歼€沒(méi)有。

再次請(qǐng)求 (F5)

第二次請(qǐng)求，三個(gè)請(qǐng)求都來(lái)自 memory cache。因?yàn)槲覀儧](méi)有關(guān)閉 TAB，所以瀏覽器把緩存的應(yīng)用加到了 memory cache。(耗時(shí) 0ms，也就是 1ms 以內(nèi))

關(guān)閉 TAB，打開(kāi)新 TAB 并再次請(qǐng)求

因?yàn)殛P(guān)閉了 TAB，memory cache 也隨之清空。但是 disk cache 是持久的，于是所有資源來(lái)自 disk cache。(大約耗時(shí) 3ms，因?yàn)槲募悬c(diǎn)小)

而且對(duì)比 2 和 3，很明顯看到 memory cache 還是比 disk cache 快得多的。

2、no-cache & no-store

我們?cè)?index.html 里面一些代碼，完成兩個(gè)目標(biāo)：

• 每種資源都(同步)請(qǐng)求兩次
• 增加腳本異步請(qǐng)求圖片

<!-- 把3種資源都改成請(qǐng)求兩次 --> 
<link rel="stylesheet" href="/static/index.css"> 
<link rel="stylesheet" href="/static/index.css"> 
<script src="/static/index.js"></script> 
<script src="/static/index.js"></script> 
<img src="/static/mashroom.jpg"> 
<img src="/static/mashroom.jpg"> 
<!-- 異步請(qǐng)求圖片 --> 
<script> 
 setTimeout(function () { 
 let img = document.createElement('img') 
 img.src = '/static/mashroom.jpg' 
 document.body.appendChild(img) 
 }, 1000) 
</script> 

當(dāng)把服務(wù)器響應(yīng)設(shè)置為 Cache-Control: no-cache 時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)打開(kāi)頁(yè)面之后，三種資源都只被請(qǐng)求 1 次。

這說(shuō)明兩個(gè)問(wèn)題：

• 同步請(qǐng)求方面，瀏覽器會(huì)自動(dòng)把當(dāng)次 HTML 中的資源存入到緩存 (memory cache)，這樣碰到相同 src 的圖片就會(huì)自動(dòng)讀取緩存(但不會(huì)在 Network 中顯示出來(lái))
• 異步請(qǐng)求方面，瀏覽器同樣是不發(fā)請(qǐng)求而直接讀取緩存返回。但同樣不會(huì)在 Network 中顯示。

總體來(lái)說(shuō)，如上面原理所述，no-cache 從語(yǔ)義上表示下次請(qǐng)求不要直接使用緩存而需要比對(duì)，并不對(duì)本次請(qǐng)求進(jìn)行限制。因此瀏覽器在處理當(dāng)前頁(yè)面時(shí)，可以放心使用緩存。

當(dāng)把服務(wù)器響應(yīng)設(shè)置為 Cache-Control: no-store 時(shí)，情況發(fā)生了變化，三種資源都被請(qǐng)求了 2 次。而圖片因?yàn)檫€多一次異步請(qǐng)求，總計(jì) 3 次。(紅框中的都是那一次異步請(qǐng)求)

這同樣說(shuō)明：

• 如之前原理所述，雖然 memory cache 是無(wú)視 HTTP 頭信息的，但是 no-store 是特別的。在這個(gè)設(shè)置下，memory cache 也不得不每次都請(qǐng)求資源。
• 異步請(qǐng)求和同步遵循相同的規(guī)則，在 no-store 情況下，依然是每次都發(fā)送請(qǐng)求，不進(jìn)行任何緩存。

3、Service Worker & memory (disk) cache

我們嘗試把 Service Worker 也加入進(jìn)去。我們編寫(xiě)一個(gè) serviceWorker.js，并編寫(xiě)如下內(nèi)容：(主要是預(yù)緩存 3 個(gè)資源，并在實(shí)際請(qǐng)求時(shí)匹配緩存并返回)

// serviceWorker.js 
self.addEventListener('install', e => { 
 // 當(dāng)確定要訪問(wèn)某些資源時(shí)，提前請(qǐng)求并添加到緩存中。 
 // 這個(gè)模式叫做“預(yù)緩存” 
 e.waitUntil( 
 caches.open('service-worker-test-precache').then(cache => { 
 return cache.addAll(['/static/index.js', '/static/index.css', '/static/mashroom.jpg']) 
 }) 
 ) 
}) 
self.addEventListener('fetch', e => { 
 // 緩存中能找到就返回，找不到就網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，之后再寫(xiě)入緩存并返回。 
 // 這個(gè)稱(chēng)為 CacheFirst 的緩存策略。 
 return e.respondWith( 
 caches.open('service-worker-test-precache').then(cache => { 
 return cache.match(e.request).then(matchedResponse => { 
 return matchedResponse || fetch(e.request).then(fetchedResponse => { 
 cache.put(e.request, fetchedResponse.clone()) 
 return fetchedResponse 
 }) 
 }) 
 }) 
 ) 
}) 

注冊(cè) SW 的代碼這里就不贅述了。此外我們還給服務(wù)器設(shè)置 Cache-Control: max-age=86400 來(lái)開(kāi)啟 disk cache。我們的目的是看看兩者的優(yōu)先級(jí)。

當(dāng)我們首次訪問(wèn)時(shí)，會(huì)看到常規(guī)請(qǐng)求之外，瀏覽器(確切地說(shuō)是 Service Worker)額外發(fā)出了 3 個(gè)請(qǐng)求。這來(lái)自預(yù)緩存的代碼。

第二次訪問(wèn)(無(wú)論關(guān)閉 TAB 重新打開(kāi)，還是直接按 F5 刷新)都能看到所有的請(qǐng)求標(biāo)記為 from SerciceWorker。

from ServiceWorker 只表示請(qǐng)求通過(guò)了 Service Worker，至于到底是命中了緩存，還是繼續(xù) fetch() 方法光看這一條記錄其實(shí)無(wú)從知曉。因此我們還得配合后續(xù)的

Network 記錄來(lái)看。因?yàn)橹鬀](méi)有額外的請(qǐng)求了，因此判定是命中了緩存。

從服務(wù)器的日志也能很明顯地看到，3 個(gè)資源都沒(méi)有被重新請(qǐng)求，即命中了 Service Worker 內(nèi)部的緩存。

如果修改 serviceWorker.js 的 fetch 事件監(jiān)聽(tīng)代碼，改為如下：

// 這個(gè)也叫做 NetworkOnly 的緩存策略。 
self.addEventListener('fetch', e => { 
return e.respondWith(fetch(e.request)) 
}) 

可以發(fā)現(xiàn)在后續(xù)訪問(wèn)時(shí)的效果和修改前是 完全一致的。(即 Network 僅有標(biāo)記為 from ServiceWorker 的幾個(gè)請(qǐng)求，而服務(wù)器也不打印 3 個(gè)資源的訪問(wèn)日志)

很明顯 Service Worker 這層并沒(méi)有去讀取自己的緩存，而是直接使用 fetch() 進(jìn)行請(qǐng)求。所以此時(shí)其實(shí)是 Cache-Control: max-age=86400 的設(shè)置起了作用，也就是 memory/disk cache。但具體是 memory 還是 disk 這個(gè)只有瀏覽器自己知道了，因?yàn)樗](méi)有顯式的告訴我們。(個(gè)人猜測(cè)是 memory，因?yàn)椴徽搹暮臅r(shí) 0ms 還是從不關(guān)閉 TAB 來(lái)看，都更像是 memory cache)

瀏覽器的行為

所謂瀏覽器的行為，指的就是用戶在瀏覽器如何操作時(shí)，會(huì)觸發(fā)怎樣的緩存策略。主要有 3 種：

• 打開(kāi)網(wǎng)頁(yè)，地址欄輸入地址： 查找 disk cache 中是否有匹配。如有則使用;如沒(méi)有則發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。
• 普通刷新 (F5)：因?yàn)?TAB 并沒(méi)有關(guān)閉，因此 memory cache 是可用的，會(huì)被優(yōu)先使用(如果匹配的話)。其次才是 disk cache。
• 強(qiáng)制刷新 (Ctrl + F5)：瀏覽器不使用緩存，因此發(fā)送的請(qǐng)求頭部均帶有 Cache-control: no-cache(為了兼容，還帶了 Pragma: no-cache)。服務(wù)器直接返回 200 和最新內(nèi)容。

緩存的應(yīng)用模式

了解了緩存的原理，我們可能更加關(guān)心如何在實(shí)際項(xiàng)目中使用它們，才能更好的讓用戶縮短加載時(shí)間，節(jié)約流量等。這里有幾個(gè)常用的模式，供大家參考

模式 1：不常變化的資源

Cache-Control: max-age=31536000 

通常在處理這類(lèi)資源資源時(shí)，給它們的 Cache-Control 配置一個(gè)很大的 max-age=31536000 (一年)，這樣瀏覽器之后請(qǐng)求相同的 URL 會(huì)命中強(qiáng)制緩存。而為了解決更新的問(wèn)題，就需要在文件名(或者路徑)中添加 hash， 版本號(hào)等動(dòng)態(tài)字符，之后更改動(dòng)態(tài)字符，達(dá)到更改引用 URL 的目的，從而讓之前的強(qiáng)制緩存失效 (其實(shí)并未立即失效，只是不再使用了而已)。

在線提供的類(lèi)庫(kù) (如 jquery-3.3.1.min.js, lodash.min.js 等) 均采用這個(gè)模式。如果配置中還增加 public 的話，CDN 也可以緩存起來(lái)，效果拔群。

這個(gè)模式的一個(gè)變體是在引用 URL 后面添加參數(shù) (例如 ?v=xxx 或者 ?_=xxx)，這樣就不必在文件名或者路徑中包含動(dòng)態(tài)參數(shù)，滿足某些完美主義者的喜好。在項(xiàng)目每次構(gòu)建時(shí)，更新額外的參數(shù) (例如設(shè)置為構(gòu)建時(shí)的當(dāng)前時(shí)間)，則能保證每次構(gòu)建后總能讓瀏覽器請(qǐng)求最新的內(nèi)容。

特別注意： 在處理 Service Worker 時(shí)，對(duì)待 sw-register.js(注冊(cè) Service Worker) 和 serviceWorker.js (Service Worker 本身) 需要格外的謹(jǐn)慎。如果這兩個(gè)文件也使用這種模式，你必須多多考慮日后可能的更新及對(duì)策。

模式 2：經(jīng)常變化的資源

Cache-Control: no-cache 

這里的資源不單單指靜態(tài)資源，也可能是網(wǎng)頁(yè)資源，例如博客文章。這類(lèi)資源的特點(diǎn)是：URL 不能變化，但內(nèi)容可以(且經(jīng)常)變化。我們可以設(shè)置 Cache-Control: no-cache 來(lái)迫使瀏覽器每次請(qǐng)求都必須找服務(wù)器驗(yàn)證資源是否有效。

既然提到了驗(yàn)證，就必須 ETag 或者 Last-Modified 出場(chǎng)。這些字段都會(huì)由專(zhuān)門(mén)處理靜態(tài)資源的常用類(lèi)庫(kù)(例如 koa-static)自動(dòng)添加，無(wú)需開(kāi)發(fā)者過(guò)多關(guān)心。

也正如上文中提到協(xié)商緩存那樣，這種模式下，節(jié)省的并不是請(qǐng)求數(shù)，而是請(qǐng)求體的大小。所以它的優(yōu)化效果不如模式 1 來(lái)的顯著。

模式 3：非常危險(xiǎn)的模式 1 和 2 的結(jié)合 （反例）

Cache-Control: max-age=600, must-revalidate 

不知道是否有開(kāi)發(fā)者從模式 1 和 2 獲得一些啟發(fā)：模式 2 中，設(shè)置了 no-cache，相當(dāng)于 max-age=0, must-revalidate。我的應(yīng)用時(shí)效性沒(méi)有那么強(qiáng)，但又不想做過(guò)于長(zhǎng)久的強(qiáng)制緩存，我能不能配置例如 max-age=600, must-revalidate 這樣折中的設(shè)置呢？

表面上看這很美好：資源可以緩存 10 分鐘，10 分鐘內(nèi)讀取緩存，10 分鐘后和服務(wù)器進(jìn)行一次驗(yàn)證，集兩種模式之大成，但實(shí)際線上暗存風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)樯厦嫣徇^(guò)，瀏覽器的緩存有自動(dòng)清理機(jī)制，開(kāi)發(fā)者并不能控制。

舉個(gè)例子：當(dāng)我們有 3 種資源： index.html, index.js, index.css。我們對(duì)這 3 者進(jìn)行上述配置之后，假設(shè)在某次訪問(wèn)時(shí)，index.js 已經(jīng)被緩存清理而不存在，但 index.html, index.css 仍然存在于緩存中。這時(shí)候?yàn)g覽器會(huì)向服務(wù)器請(qǐng)求新的 index.js，然后配上老的 index.html, index.css 展現(xiàn)給用戶。這其中的風(fēng)險(xiǎn)顯而易見(jiàn)：不同版本的資源組合在一起，報(bào)錯(cuò)是極有可能的結(jié)局。

除了自動(dòng)清理引發(fā)問(wèn)題，不同資源的請(qǐng)求時(shí)間不同也能導(dǎo)致問(wèn)題。例如 A 頁(yè)面請(qǐng)求的是 A.js 和 all.css，而 B 頁(yè)面是 B.js 和 all.css。如果我們以 A -> B 的順序訪問(wèn)頁(yè)面，勢(shì)必導(dǎo)致 all.css 的緩存時(shí)間早于 B.js。那么以后訪問(wèn) B 頁(yè)面就同樣存在資源版本失配的隱患。

后記

這篇文章真心有點(diǎn)長(zhǎng)，但已經(jīng)囊括了前端緩存的絕大部分，包括 HTTP 協(xié)議中的緩存，Service Worker，以及 Chrome 瀏覽器的一些優(yōu)化 (Memory Cache)。希望開(kāi)發(fā)者們善用緩存，因?yàn)樗亲钊菀紫氲剑嵘沧畲蟮男阅軆?yōu)化策略。

參考文章

A Tale of Four Caches(但這篇文章把 Service Worker 的優(yōu)先級(jí)排在 memory cache 和 disk cache 之間，跟我實(shí)驗(yàn)效果并不相符。懷疑可能是 2 年來(lái) chrome 策略的修改？)

Caching best practices & max-age gotchas