最常被遗忘的Web性能优化:浏览器缓存

更新时间:2017-06-30 14:03:46点击次数:797次

一提起缓存,Web开发者们总是在想数据库缓存、页面静态化、使用Redis内存缓存。这些方法都有一个共性,就是集中在后台,目的就是加快数据的读取,少用比较容易产生瓶颈的部分。

后台该优化的都优化到了最佳状态,却往往疏忽了一个非常重要的过程,就是数据传输。想着如何快速读取数据,却忘了如何减少请求数据,或者根本不请求数据。所以,今天我们就来聊一聊这个经常被我们遗忘的浏览器缓存。

认识浏览器缓存

当浏览器请求一个网站的时候,会加载各种各样的资源,比如HTML文档、图片、CSSJS等文件。对于一些不经常变的内容,浏览器会将他们保存在本地的文件中,下次访问相同网站的时候,直接加载这些资源,加速访问。

这些被浏览器保存的文件就被称为缓存。(不是指Cookie或者Localstorage)。

第一次打开该网站后,如果再次刷新页面。会发现浏览器加载的众多资源中,有一部分size有具体数值,然而还有一部分请求,比如图片、cssjs等文件并没有显示文件大小,而是显示了from dis cache或者from memory cache字样。这就说明了,该资源直接从内存或者本地硬盘直接读取,而并没有请求服务器。

查看缓存

知道了浏览器从缓存中读取文件,那么浏览器缓存文件存储在哪里?以chrome为例,直接在浏览器地址栏输入:chrome://cache/即可打开近期的所有缓存文件链接,当然你可以直接点击打开缓存内容。

至于背后的文件,一般存在于:C:\Users\yanying\AppData\Local\Google\Chrome\User Data\Default\Cache路径中,其中yanying是你的windows用户名称。

缓存协商

从上面的图片可以看出。一部分请求使用了缓存,而有一部分缓存并没有使用缓存。浏览器如果想判断何时该做什么操作,就必须要有一个判定标准。这里就需要用到缓存协商。简单来说就是Web浏览器和服务器之间协定一个法则,什么情况下请求资源,什么情况下不请求。

缓存协商方式和CookieUser-Agent一样,通过浏览器header进行传输。

缓存协商方式有3种:

  1. Last-Modified

  2. ETag

  3. Expires

Last-modified

定义

Last-Modified标签代表是文件的最后修改时间,其格式是标准的GMT时间。注意: GMT是标准的格林威治时间,我们国家是GMT+8时区。所以,你看到的Last-Modified和我们的时间有8个小时差距,不过不影响使用。

一般的动态资源没有所谓的最后修改时间。而静态文件比如css文件、图片等文件可以通过stat()系统调用获得文件的最后修改时间。

但是,实际网站运行中,Web服务器(比如Apache)会自动获取静态资源的最后修改时间,同时会自动在HTTP头文件中添加Last-Modified标签。

包含了Last-Modified标签的资源,在下次的请求中,浏览器会带着该时间。当服务器接收到请求后会核对该时间后,文件是否被修改,如果修改了就直接返回数据,没有修改就直接返回304状态码,告知浏览器直接使用本地缓存。这样,一次数据传输流量就被免除了,速度稍有加快。

动态资源中使用

动态资源虽然没有相对意义上的最后修改时间,但是我们还是可以直接通过发送header头来手动定义Last-Modified。这样,通过动态程序判断,也可以达到静态资源节省数据传输流量的作用。

这里使用PHP举个例子:

1、首先创建一个php文件,发送一个Last-Modified头标签:

<?php
header("Last-Modified:".gmdate("D, d M Y H:i:s")." GMT");

2、使用浏览器请求该文件,我们得到了如下的服务器返回头:

HTTP/1.1 200 OK Date: Tue, 27 Jun 2017 15:13:02 GMT Server: Apache/2.4.9 (Win32) PHP/5.5.12 X-Powered-By: PHP/5.5.12 Last-Modified: Tue, 27 Jun 2017 15:13:02 GMT Content-Length: 0 Keep-Alive: timeout=5, max=97 Connection: Keep-Alive Content-Type: text/html

观察上面服务器返回的头文件,包含了一个Last-Modified: Tue, 27 Jun 2017 15:13:02 GMT,这就是上面动态代码生成的最后修改时间。

3、当我们再次请求该文件的时候,我们看下浏览器发送给服务器的头文件。

GET /php/last.php HTTP/1.1 Host: localhost Connection: keep-alive
Cache-Control: max-age=0 //...这里省略部分信息 If-Modified-Since: Tue, 27 Jun 2017 15:13:02 GMT

观察一下最后一行,多了一个If-Modified-Since标签,他的时间正是服务器刚刚返回的Last-Modified的值。这个值就这样又被返回给了服务器。

4、这样就很简单啦。在动态语言端(PHP)可以直接使用$_SERVER['HTTP_IF_MODIFIED_SINCE']即可获取时间值,接着就可以做一些简单的对比工作。如果在这个时间之后数据没有变化则直接返回304,告诉浏览器直接使用缓存,而免去数据传输的过程。

而且,最终要的是。这个过程根本无需查找数据库,所以后台程序执行时间非常短,从而大大减少用户等待时间。

这样我们就做到了动态资源也可以实现静态资源的最后修改时间,从而减少数据传输量,达到优化性能要求。

Etag

Last-Modified缺点

Last-Modified似乎已经做到了部分性能优化效果。但是,总是有些情况下不是很奏效。比如,一个用户修改了一个文件,后来用户觉得修改错误,于是又修改回去。

上面的过程中,文件内容并没有发生变化。但是,文件在系统中的物理最后修改时间却发生了变化。这种情况下,如果浏览器再次请求资源。服务器还是会发送完整数据。从而并未完全达到我们预想的效果。

于是在此之上,我们还可以添加一个ETag标签,用来进一步确认文件是否修改。

了解ETag

ETag类似于Last-Modified,也是一个header头标签。他的值是一串字符串,用于区分各个文件的版本信息,由于HTTP并没有对该值做任何的格式限制,所以可以自定义生成。

ETag的值不同于Last-Modified,他并不会在文件被修改时候就发生变化,而是在文件内容发生变化的时候才会被改变(具体什么时候改变,完全有后台业务逻辑来判断)。对于静态资源,Web服务器还是会帮我们处理好这个标签,不用考虑太多。

下面我们还是来讨论一下动态资源模拟静态资源发送ETag标签的过程:

1、这里我们还是新建一个PHP文件,其中代码是向浏览器发送一个包含ETag的头文件。

<?php header("ETag : abcd");

2、使用浏览器请求该PHP文件:

看下服务器返回的header头:

HTTP/1.1 200 OK Date: Wed, 28 Jun 2017 01:45:40 GMT Server: Apache/2.4.9 (Win64) PHP/5.5.12 X-Powered-By: PHP/5.5.12 ETag: abcd Content-Length: 0 Keep-Alive: timeout=5, max=100 Connection: Keep-Alive Content-Type: text/html

里面比正常的返回多了一个ETag标签,并且它的值就是我们刚刚设置的abcd

3、下面我们刷新浏览器,再次请求改页面:

注意观察下浏览器请求的头header

GET /etags.php HTTP/1.1 Host: localhost Connection: keep-alive
Cache-Control: max-age=0 Upgrade-Insecure-Requests: 1 User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/59.0.3071.86 Safari/537.36 Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,image/webp,image/apng,*/*;q=0.8 Accept-Encoding: gzip, deflate, br
Accept-Language: zh-CN,zh;q=0.8 Cookie: Phpstorm-65418376=dceeb07b-c7af-45d6-b8be-4079e9424244; Hm_lvt_65dfcf8f1948f7203dd3fb620de01083=1497600508; admin_id=1; admin_token=072517cddaa9c106fe4662ea70a1345c
If-None-Match: abcd

仔细看下最后一行,有一个If-None-Match头标签。该标签的值正是我们刚刚接收到的服务器返回的ETag的值,这样类似于Last-Modified,我们在PHP端可以使用$_SERVER['HTTP_IF_NONE_MATCH']直接获取我们刚刚的值。

4、获取到该值,我们就可以直接对比文件现有的ETag,来决定是直接使用浏览器缓存还是再次发送完整数据。

小结

EtagLast-Modified非常相似,都是用来判断一个参数,从而决定是否启用缓存。但是ETag相对于Last-Modified也有他的优势,他可以更加准确的判断文件内容是否被修改,从而在实际操作中实用程度也更高。

有了这两种优化方式,对于节省流量带宽已经起到了非常大的作用。但是总是感觉还是有点儿鸡肋,毕竟每次浏览器还是要来询问一下服务器,文件是否被改变。

如果,我们可以确定,一个文件在半年内不会改变,那么我们可以让浏览器在这半年时间内都不来服务器询问,而直接使用本地缓存。这里就需要使用第三种协商方式Expires.

Expires

Expires这个单词的意思是过期,在这里表示的是过期时间。它的使用方式、格式和Last-Modified一样,都是使用浏览器头,也都是标准的GMT时间。

但是它的功能却完全不同,包含了Expires头标签的文件,就说明浏览器对于该文件缓存具有非常大的控制权。例如,一个文件的Expires值是2020年的1月1日,那么就代表,在2020年1月1日之前,浏览器都可以直接使用该文件的本地缓存文件,而不必去服务器再次请求该文件,哪怕服务器文件发生了变化。

所以,Expires是优化中最理想的情况,因为它根本不会产生请求,所以后端也就无需考虑查询快慢。

下面我们看下segmentfault的静态文件的Expires

对于静态资源,大多数服务器是会开启expires标记功能。如果遇到没有开启的,则可以使用配置文件开启。

Apacheexpires支持设置如下:

<IfModule mod_expires.c> ExpiresActive on ExpiresByType image/gif "access plus 1 month" ExpiresByType text/css "now plus 2 day" ExpiresDefault "now plus 1 day" </IfModule>

上面的配置中我们设置image/gif的格式图片缓存时间为1个月,而css文件缓存时间为2天,其他的默认为1天。

另外,对于常用静态资源。如果不在web服务器端设置expires标签,浏览器也可以智能的标记一个过期时间。比如gif图片,浏览器会设置他的过期时间为永不过期。

动态资源中使用Expires

这里我们还是拿PHP来举例

1、首先创建一个PHP文件,用于发送Expires头标签。

这里我们把文件过期时间直接设置为2020年1月1日的0点

<?php
header("Expires:".gmdate("D, d M Y H:i:s",1577808000)." GMT");

2、使用浏览器请求该文件,观察服务器返回的头文件:

HTTP/1.1 200 OK Date: Wed, 28 Jun 2017 02:24:18 GMT Server: Apache/2.4.9 (Win64) PHP/5.5.12 X-Powered-By: PHP/5.5.12 Expires: Tue, 31 Dec 2019 16:00:00 GMT Content-Length: 0 Keep-Alive: timeout=5, max=100 Connection: Keep-Alive Content-Type: text/html

不出意外,我们已经在头文件里面发现Expires标签,并且它的值为Tue, 31 Dec 2019 16:00:00 GMT(这里不是2020年原因是由于有8个小时时差)。

3、再次使用浏览器访问改页面,发现浏览器的请求数据的路径已经变为了from cache(如下图)。

对于chrome浏览器,从network中似乎并不能看出是否使用了缓存。但是,如果打开chrome://cache/,搜索我们刚刚的地址,会发现我们请求的内容也被缓存成功。

请求方式与缓存

浏览器有3种请求服务器资源的方式

  1. ctrl+f5:强制刷新

  2. f5:刷新页面

  3. 浏览器地址栏回车,也就是转到功能

这3种请求方式对于资源使用缓存的影响各不不同,下面一一的解释:

1、ctrl + f5:强制刷新

这种方式是所有加载方式中使用缓存最少的方式。当使用ctrl+f5访问一个地址的时候,浏览器会强制所有的资源重新加载一次。所有的资源将会被重新缓存。

2、f5:刷新页面

f5刷新页面相当于浏览器上面的刷新按钮,是一种比较常用的刷新方式。这种方式下浏览器会使用部分必要的缓存,针对于Last-Modified有效,但是expires标签就会失去他的作用。

3、地址栏转到方式

在浏览器地址栏输入即将访问的地址后,按回车或者浏览器转到功能访问网页。这是使用最多的一种情况,也是使用最少请求服务器的方式。也就说浏览器会尽量使用本地缓存,而避免直接请求服务器数据。注意: Expires标签也只有在这种情况下有效。所以,千万不要使用f5或者ctrl+f5还奇怪expires功能无效。

cache-control

还有一点点小缺陷

了解了上面所有的缓存协商方式后,我们已经可以高效的优化我们现有的应用。但是还是存在一种可能情况,那就是之前的Last-Modifiedexpires都是使用服务器标准时间来标记。

而作为最后的判断者确是浏览器。所以,难免会存在用户电脑时间和服务器时间不一致的情况。

比如我们设定一个资源在未来10分钟内不会过期,而用户电脑比服务器时间快了1个小时(当然这个太少见)。那么我们设置的过期时间对于用户来讲,立即就过期了。那么我们的设置相当于白用功了。

所以为了解决这个可能出现的小缺陷,我们还可以设置一个相对于用户本地时间的缓存过期时间cache-control

作用

cache-control和之前的Last-Modified一样,都是头文件里面的一个标签。只不过他的值是max-age=<second>,这里的<second>是一个数字,单位为秒。

假设我们设置一个值cahce-control:max-age=3600,那么就代表改缓存有效期是用户本地时间加上3600秒。这样,缓存的截止时间就和服务器时间没有太大关系了,从而避免了因为时间偏差带来的不良影响。

对于静态文件,如果服务器比如Apache开启了expires功能,那么也会默认的给头文件添加一个cache-control标签。

PHP设置cache-control

对于动态文件,我们可以在程序语言中向浏览器直接输出该标签。我们使用PHP做一个演示:

1、创建一个PHP文件,向浏览器输出一个包含cache-control标签的头:

<?php header("Cache-Control:max-age=3600");

2、使用浏览器请求该PHP文件,获取服务器返回头header

HTTP/1.1 200 OK
Date: Wed, 28 Jun 2017 12:33:16 GMT
Server: Apache/2.4.9 (Win32) PHP/5.5.12
X-Powered-By: PHP/5.5.12 Cache-Control: max-age=3600 Content-Length: 0 Keep-Alive: timeout=5, max=98 Connection: Keep-Alive Content-Type: text/html

观察上面的信息,可以发现其中包含cache-control标签,其值为我们刚刚设置的max-age=3600,那么就代表相对于我本地时间3600秒之后缓存过期。(完)

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