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17 _ 客户端缓存是如何帮助服务器分担流量的？
你好，我是周志明。这节课，我们继续来讨论透明多级分流系统中，最靠近用户一侧的分流部件：浏览器的客户端缓存。
当万维网刚刚出现的时候，浏览器的缓存机制差不多就已经存在了。在HTTP协议设计之初，人们便确定了服务端与客户端之间“无状态”（Stateless）的交互原则，即要求客户端的每次请求是独立的，每次请求无法感知、也不能依赖另一个请求的存在，这既简化了HTTP服务器的设计，也为它的水平扩展能力留下了广阔的空间。
但无状态并不是只有好的一面。因为客户端的每次请求都是独立的，服务端不会保存之前请求的状态和资源，所以也不可避免地导致它会携带重复的数据，造成网络性能的降低。
那么，HTTP协议针对这个问题的解决方案，就是客户端缓存。从HTTP/1.0到1.1、再到2.0版本的演进中，逐步形成了现在被称为“状态缓存”、“强制缓存”（或简称为“强缓存”）和“协商缓存”这三种HTTP缓存机制。
这其中的状态缓存，是指不经过服务器，客户端直接根据缓存信息来判断目标网站的状态。以前只有301/Moved Permanently（永久重定向）这一种；后来在RFC6797中增加了HSTS（HTTP Strict Transport Security）机制，用来避免依赖301/302跳转HTTPS时，可能产生的降级中间人劫持问题（在第28、29讲中，我还会展开讲解这个问题），这也属于另一种状态缓存。
因为状态缓存涉及的内容只有这么一点，所以后面，我们就只聚焦在强制缓存与协商缓存这两种机制的探讨上。
下面我们就先来看看强制缓存的实现机制吧。
实现强制缓存机制的两类Headers
就像“强制缓存”这个名字一样，它对一致性问题的处理策略十分直接：假设在某个时间点内，比如服务器收到响应后的10分钟内，资源的内容和状态一定不会被改变，因此客户端可以不需要经过任何请求，在该时间点到来之前一直持有和使用该资源的本地缓存副本。
根据约定，在浏览器的地址输入、页面链接跳转、新开窗口、前进和后退中，强制缓存都可以生效，但在用户主动刷新页面时应当自动失效。
在HTTP协议中，设置了两类可以实现强制缓存的Headers（标头）：Expires和Cache-Control。
第一类：Expires
Expires是HTTP/1.0协议中开始提供的Header，后面跟随了一个截止时间参数。当服务器返回某个资源时，如果带有该Header的话，就意味着服务器承诺在截止时间之前，资源不会发生变动，浏览器可直接缓存该数据，不再重新发请求。我们直接来看一个Expires头的示例程序：
HTTP/1.1 200 OK Expires: Wed, 8 Apr 2020 07:28:00 GMT
那么，你能看到，Expires设计得非常直观易懂，但它考虑得其实并不周全。我给你简单举几个例子。
受限于客户端的本地时间
比如，在收到响应后，客户端修改了本地时间，将时间点前后调整了几分钟，这就可能会造成缓存提前失效或超期持有。
无法处理涉及到用户身份的私有资源
比如，合理的做法是，某些资源被登录用户缓存在了自己的浏览器上。但如果被代理服务器或者内容分发网络（CDN）缓存起来，就可能会被其他未认证的用户获取。
无法描述“不缓存”的语义
比如，一般浏览器为了提高性能，往往会自动在当次会话中缓存某些MINE类型的资源，这会造成设计者不希望缓存的资源无法被及时更新。而在HTTP/1.0的设计中，Expires并没有考虑这方面的需求，导致无法强制浏览器不允许缓存某个资源。
所以，以前为了实现这类功能，我们通常不得不使用脚本，或者手工在资源后面增加时间戳（如“xx.js?t=1586359920”“xx.jpg?t=1586359350”）来保证每次资源都会重新获取。
不过，关于“不缓存”的语义，在HTTP/1.0中其实是预留了“Pragma: no-cache”来表达的，但在HTTP/1.0中，并没有确切地描述Pragma参数的具体行为，随后它就被HTTP/1.1中出现过的Cache-Control给替代了。
现在，尽管主流的浏览器也通常都会支持Pragma，但它的行为仍然是不确定的，实际上并没有什么使用价值。而Cache-Control的出现，进一步压缩了Pragma的生存空间。所以接下来，我们就一起来看看，它是如何支持强制缓存机制的实现的。
第二类：Cache-Control
Cache-Control是HTTP/1.1协议中定义的强制缓存Header，它的语义比起Expires来说就丰富了很多。而如果Cache-Control和Expires同时存在，并且语义存在冲突（比如Expires与max-age / s-maxage冲突）的话，IETF规定必须以Cache-Control为准。
同样这里，我们也看看Cache-Control的使用示例：
HTTP/1.1 200 OK Cache-Control: max-age=600
那么，你能看到，这里的示例中使用的参数是max-age。实际上，在客户端的请求Header或服务器的响应Header中，Cache-Control都可以存在，它定义了一系列的参数，并且允许自行扩展（即不在标准RFC协议中，由浏览器自行支持的参数）。Cache-Control标准的参数主要包括6种，下面我就带你一一了解下。
max-age和s-maxage
在前面的示例中，你会发现max-age后面跟随了一个数字，它是以秒为单位的，表明相对于请求时间（在Date Header中会注明请求时间）多少秒以内，缓存是有效的，资源不需要重新从服务器中获取。这个相对时间，就避免了Expires中，采用的绝对时间可能受客户端时钟影响的问题。
另一个类似的参数是s-maxage，其中的“s”是“Share”的缩写，意味着“共享缓存”的有效时间，即允许被CDN、代理等持有的缓存有效时间，这个参数主要是用来提示CDN这类服务器如何对缓存进行失效。
public和private
这一类参数表明了是否涉及到用户身份的私有资源。如果是public，就意味着资源可以被代理、CDN等缓存；如果是private，就意味着只能由用户的客户端进行私有缓存。
no-cache和no-store
no-cache表明该资源不应该被缓存，哪怕是同一个会话中对同一个URL地址的请求，也必须从服务端获取，从而令强制缓存完全失效（但此时的协商缓存机制依然是生效的）；no-store不强制会话中是否重复获取相同的URL资源，但它禁止浏览器、CDN等以任何形式保存该资源。
no-transform
no-transform禁止资源以任何形式被修改。比如，某些CDN、透明代理支持自动GZip压缩图片或文本，以提升网络性能，而no-transform就禁止了这样的行为，它要求Content-Encoding、Content-Range、Content-Type均不允许进行任何形式的修改。
min-fresh和only-if-cached
这两个参数是仅用于客户端的请求Header。min-fresh后续跟随了一个以秒为单位的数字，用于建议服务器能返回一个不少于该时间的缓存资源（即包含max-age且不少于min-fresh的数字）；only-if-cached表示服务器希望客户端不要发送请求，只使用缓存来进行响应，若缓存不能命中，就直接返回503/Service Unavailable错误。
must-revalidate和proxy-revalidate
must-revalidate表示在资源过期后，一定要从服务器中进行获取，即超过了max-age的时间后，就等同于no-cache的行为；proxy-revalidate用于提示代理、CDN等设备资源过期后的缓存行为，除对象不同外，语义与must-revalidate完全一致。
好了，现在你应该就已经理解了强制缓存的实现机制了。但是，强制缓存是基于时效性的，无论是人还是服务器，在大多数情况下，其实都没有什么把握去承诺某项资源多久不会发生变化。
所以，接下来我就要给你介绍另一种基于变化检测的缓存机制，也就是协商缓存。它在处理一致性问题上，比强制缓存会有更好的表现。不过它需要一次变化检测的交互开销，在性能上就会略差一些。
协商缓存的两种变动检查机制
那么，在开始了解协商缓存的实现机制之前，你要先注意一个地方，就是在HTTP中，协商缓存与强制缓存并没有互斥性，这两套机制是并行工作的。
比如说，当强制缓存存在时，客户端可以直接从强制缓存中返回资源，无需进行变动检查；而当强制缓存超过时效，或者被禁止（no-cache / must-revalidate），协商缓存也仍然可以正常工作。
协商缓存有两种变动检查机制，一种是根据资源的修改时间进行检查，另一种是根据资源唯一标识是否发生变化来进行检查。它们都是靠一组成对出现的请求、响应Header来实现的。
根据资源的修改时间进行检查
我们先来看看根据资源的修改时间进行检查的协商缓存机制。它的语义中包含了两种标准参数：Last-Modified和If-Modified-Since。
Last-Modified是服务器的响应Header，用来告诉客户端这个资源的最后修改时间。
而对于带有这个Header的资源，当客户端需要再次请求时，会通过If-Modified-Since，把之前收到的资源最后修改时间发送回服务端。
如果此时，服务端发现资源在该时间后没有被修改过，就只要返回一个304/Not Modified的响应即可，无需附带消息体，从而达到了节省流量的目的：
HTTP/1.1 304 Not Modified Cache-Control: public, max-age=600 Last-Modified: Wed, 8 Apr 2020 15:31:30 GMT
而如果此时，服务端发现资源在该时间之后有变动，就会返回200/OK的完整响应，在消息体中包含最新的资源。
HTTP/1.1 200 OK Cache-Control: public, max-age=600 Last-Modified: Wed, 8 Apr 2020 15:31:30 GMT
Content
根据资源唯一标识是否发生变化来进行检查
好，我们再来看看“根据资源唯一标识是否发生变化来进行检查”的协商缓存机制。它的语义中也包含了两种标准参数：Etag和If-None-Match。
Etag是服务器的响应Header，用于告诉客户端这个资源的唯一标识。HTTP服务器可以根据自己的意愿，来选择如何生成这个标识，比如Apache服务器的Etag值，就默认是对文件的索引节点（INode）、大小和最后修改时间进行哈希计算后而得到的。
然后，对于带有这个Header的资源，当客户端需要再次请求时，就会通过If-None-Match，把之前收到的资源唯一标识发送回服务端。
如果此时，服务端计算后发现资源的唯一标识与上传回来的一致，就说明资源没有被修改过，同样也只需要返回一个304/Not Modified的响应即可，无需附带消息体，达到节省流量的目的：
HTTP/1.1 304 Not Modified Cache-Control: public, max-age=600 ETag: "28c3f612-ceb0-4ddc-ae35-791ca840c5fa"
而如果此时，服务端发现资源的唯一标识有变动，也一样会返回200/OK的完整响应，在消息体中包含最新的资源。
HTTP/1.1 200 OK Cache-Control: public, max-age=600 ETag: "28c3f612-ceb0-4ddc-ae35-791ca840c5fa"
Content
另外，我还想强调的是，Etag是HTTP中一致性最强的缓存机制。
为什么会这么说呢？我直接给你举个例子。
前面我提到的Last-Modified参数，它标注的最后修改只能精确到秒级，而如果某些文件在一秒钟以内被修改多次的话，它就不能准确标注文件的修改时间了；又或者，如果某些文件会被定期生成，可能内容上并没有任何变化，但Last-Modified却改变了，导致文件无法有效使用缓存。而这些情况，Last-Modified都有可能产生资源一致性的问题，只能使用Etag解决。
但是，Etag又是HTTP中性能最差的缓存机制。这个“最差”体现在每次请求时，服务端都必须对资源进行哈希计算，这比起简单获取一下修改时间，开销要大了很多。
所以，Etag和Last-Modified是允许一起使用的，服务器会优先验证Etag，在Etag一致的情况下，再去对比Last-Modified，这是为了防止有一些HTTP服务器没有把文件修改日期纳入哈希范围内。
HTTP的内容协商机制
那到这里为止，HTTP的协商缓存机制，就已经能很好地处理通过URL获取单个资源的场景了。不过你可能要问了：为什么要强调“单个资源”呢？
我们知道，在HTTP协议的设计中，一个URL地址是有可能提供多份不同版本的资源的，比如说，一段文字的不同语言版本，一个文件的不同编码格式版本，一份数据的不同压缩方式版本，等等。因此针对请求的缓存机制，也必须能够提供对应的支持。
所以，针对这种情况，HTTP协议设计了以Accept*（Accept、Accept-Language、Accept-Charset、Accept-Encoding）开头的一套请求Header，以及对应的以Content-*（Content-Language、Content-Type、Content-Encoding）开头的响应Header。这些Headers被称为HTTP的内容协商机制。
那么，与之对应的，对于一个URL能够获取多个资源的场景中，缓存同样也需要有明确的标识来获知，它要根据什么内容来对同一个URL返回给用户正确的资源。这个就是Vary Header的作用，Vary后面应该跟随一组其他Header的名字，比如说：
HTTP/1.1 200 OK Vary: Accept, User-Agent
这里你要知道，这个响应的含义是应该根据MINE类型和浏览器类型来缓存资源，另外服务端在获取资源时，也需要根据请求Header中对应的字段，来筛选出适合的资源版本。
根据约定，协商缓存不仅可以在浏览器的地址输入、页面链接跳转、新开窗口、前进、后退中生效，而且在用户主动刷新页面（F5）时也同样是生效的。只有用户强制刷新（Ctrl+F5）或者明确禁用缓存（比如在DevTools中设定）时才会失效，此时客户端向服务端发出的请求会自动带有“Cache-Control: no-cache”。
小结
HTTP协议以“无状态”作为基本的交互原则，那么由此而来的资源重复访问问题，就需要通过网络链路中的缓存来解决了。现在你也已经知道，客户端缓存具体包括了“状态缓存”、“强制缓存”和“协商缓存”三类。
这节课，我们详细分析了强制缓存和协商缓存的工作原理。利用好客户端的缓存，能够节省大量网络流量，这是为后端系统分流，以实现更高并发的第一步。
一课一思
除了在HTTP协议中规定的缓存机制，你还使用过其他客户端的缓存方式吗？比如说，浏览器WebAPI中的Cache Storage和Application Cache，或者你是否通过LocalStorage、SessionStorage、IndexedDB、WebSQL等等去缓存信息？
欢迎在留言区分享你的做法和见解。如果你觉得有收获，也欢迎把今天的内容分享给更多的朋友。感谢你的阅读，我们下一讲再见。