一、缓存

缓存技术一直一来在WEB技术体系中扮演非常重要角色，是快速且有效地提升性能的手段。

如上图，在网页展示出来的过程中，各个层面都可以进行缓存。

之前在学习缓存的过程中，一直没有实践过，有些概念经常会忘记。今天主要通过Node实践的方式学习浏览器缓存，顺便分析一下Koa处理缓存的源码。

二、浏览器缓存

首先我们看一下浏览器请求缓存过程。

发出请求后，会先在本地查找缓存。
查到有缓存，要判断缓存是否新鲜（是否过期）。
没有过期，直接返回给客户端。
如果缓存过期了，就要再次去服务器请求最新的资源，返回给客户端，并重新进行缓存。

三、新鲜度检测

可能很多同学看其他博客，提到都是“强缓存/协商缓存”等说法，这个我会放到后面讲。上图中新鲜一词比较少见，来自《HTTP权威指南》。

因为HTTP会将资源缓存一段时间，在这个时间内，这个缓存就是“新鲜的”。所以检查缓存是否过期就被称为，新鲜度检测。

那么接下来就通过Node来实战一下，看看：

浏览器是如何进行缓存的？
如何进行新鲜度检测？

四、Node实战

上述提到缓存一段时间，那么HTTP提供了通用首部字段（就是请求报文和响应报文都能用上的字段），来控制缓存时间。

1. Pragma/Expires介绍

Pragma 是HTTP/1.0标准中定义的一个header属性，请求中包含Pragma的效果跟在头信息中定义Cache-Control: no-cache相同，但是HTTP的响应头没有明确定义这个属性，所以它不能拿来完全替代HTTP/1.1中定义的Cache-control头。通常定义Pragma以向后兼容基于HTTP/1.0的客户端。

Expires会返回一个绝对时间，如果请求时间在Expires指定的时间之前，就能命中缓存。但是因为客户端可以修改本地时间，会和和服务器时间不一致，容易出现差错，不推荐使用。

2. Cache-Control介绍

Cache-Control是现在常见的缓存方式，上述字段很多，初学者可以只看max-age，避免混乱，也是最有意义的属性。

Cache-Control描述的是一个相对时间，在进行缓存命中的时候，都是利用客户端时间进行判断，所以相比较Expires，Cache-Control的缓存管理更有效，安全一些。

3. Cache-Control实战

通过Koa框架，简单搭建一个Node服务。并通过koa-static管理静态资源。

代码结构参考如下，maxage缓存设置10秒。

启动服务，就可以看到自己的页面了~

node index.js // server is starting at port 8001

在代码截图上，可以看到给koa-static传了maxage: 10 * 1000。

koa-static源码中引入了koa-send库。截取部分koa-send源码，只要传入maxage，就会设置Cache-Control的max-age。为符合前端开发者习惯传入为毫秒，实际上是用秒为单位的。

通过NetWork可以观察到已经成功设置Cache-Control: max-age=10

访问测试如下图：

在10s内再次请求，可以看到js/css均来自缓存memory cache。
10s后缓存过期，不走缓存，便再次从服务器获取。

4. HTML为何如此特殊？

4.1 现象

经过上面的实验可以看出，在Js/Css都走本地缓存的时候，HTML是依旧从服务端获取的。

查看请求信息之后，发现请求头中默认加上了Cache-Control: max-age=0。

经过测试，发现如果单独请求Js资源，也会出现此类现象。因此得出结论，这个是浏览器默认加的，应该是为了保证直接请求的资源最新。

4.2 原因

针对request请求，如果有Cache-Control限制，那么缓存系统就会先校验Cache-Control。不符合规则就直接请求服务端，具体规则如下：

上述来自《HTTP权威指南》。同理浏览器中Network中的disable-cache也是如此，发出请求时，表示不需要走缓存，一定要服务端最新的。

5. 服务端再验证（新鲜度检测）

上述无论是http1.0还是1.1的方案，都是在本地缓存中存放一段时间。过期后就需要去服务端重新请求一遍。这个也被称之为强缓存。

但是，缓存中过期并不意味服务端资源改变。

因此请求发现本地缓存过期，可以去服务端咨询一下，这个资源还新鲜吗？还可以继续使用吗？常见的方法就是携带字段If-Modified-Since和If-None-Match。如果验证资源是新鲜的，没有改变。那只需要返回一个标识，也就是我们常说的304，不需要返回数据，加速请求时间。

这个过程就是新鲜度检测，那实现这个缓存的方式就是我们常说的协商缓存。

下面看下Node实战协商缓存。

6. Last-Modified 和 If-Modified-Since

携带If-Modified-Since的前提是，缓存中存储了Last-Modified字段。每个请求返回时，response中可以携带字段Last-Modified，是服务端资源修改的最后日期。

下次发起请求时携带If-Modified-Since就是缓存中的Last-Modified，和服务端资源最后修改时间进行比较，就知道资源是否新鲜了。

6.1 代码验证

每个请求返回时，response中可以携带字段Last-Modified，是因为我们使用的koa-static会默认给我们的返回头加上Last-Modified。

发出的请求也会自动携带If-Modified-Since。

但是验证发现，10s后缓存过期，再次发出请求并没有返回304，还是200。

原因是需要配置中间件koa-conditional-get。

6.2 koa-conditional-get

简单看下koa-conditional-get做了什么，让协商缓存生效。可以看出源码非常简单，判断是否新鲜即可。

ctx.fresh如何计算，会在后面讲。但很明显是校验了If-Modified-Since和Last-Modified。

6.3 Last-Modified测试

在10s内请求
10s过期后请求

测试结果，10s内Js/Css走强缓存。HTML由于请求默认加max-age为0，走协商缓存返回304，不需要返回数据，Size由484B降至163B。

10s后Js/Css缓存到期，全部走协商缓存，由于Last-Modified一直没有改变，均返回304，不需要返回数据，Size降至163B。返回304后，会重置max-age，10s内请求无需请求服务器，依然是强缓存。

修改Js内容

修改Js内容测试结果，Css没有修改依旧返回304。Js修改导致Last-Modified大于请求中的If-Modified-Since，资源不够新鲜，返回200并返回最新数据。

6.4 总结

Last-Modified工作流程如下：

一般来说，在没有调整服务器时间和篡改客户端缓存的情况下，这两个header配合起来管理协商缓存是非常可靠的，但是有时候也会服务器上资源其实有变化，但是最后修改时间却没有变化的情况，而这种问题又很不容易被定位出来，而当这种情况出现的时候，就会影响协商缓存的可靠性。所以就有了另外一对header来管理协商缓存，这对header就是【ETag、If-None-Match】

7. ETag 和 If-None-Match

7.1 ETag

这个header是服务器根据当前请求的资源生成的一个唯一标识，这个唯一标识是一个字符串，只要资源有变化这个串就不同，所以能很好的补充Last-Modified的问题。避免干扰，可以注释Last-modified逻辑。

ETag的验证也非常简单，只需要再加入一个中间件koa-etag，重启服务测试。

7.2 ETag实践

发出请求，response已有Etag：

下一次请求也会携带If-None-Match为缓存中的Etag值：

修改Js资源测试，结果如下：

修改Js资源测试后，导致Etag改变。服务端再验证资源不新鲜，Js资源重新获取，返回200。

Css没有修改，Etag没变返回304。

Etag整体流程和Last-Modified保持一致。

7.3 koa-etag源码解析

koa的etag生成主要2个方法，具体的可以直接去看源码。

（1）根据文件的修改时间和文件大小生成

function stattag (stat) {
  var mtime = stat.mtime.getTime().toString(16)
  var size = stat.size.toString(16)

  return '"' + size + '-' + mtime + '"'
}

（2）使用crypto库加密生成

function entitytag (entity) {
  if (entity.length === 0) {
    // fast-path empty
    return '"0-2jmj7l5rSw0yVb/vlWAYkK/YBwk"'
  }

  // compute hash of entity
  var hash = crypto
    .createHash('sha1')
    .update(entity, 'utf8')
    .digest('base64')
    .substring(0, 27)

  // compute length of entity
  var len = typeof entity === 'string'
    ? Buffer.byteLength(entity, 'utf8')
    : entity.length

  return '"' + len.toString(16) + '-' + hash + '"'
}

五、新鲜度检测（Koa源码解读）

1. koa-conditional-get

在前面看到koa-conditional-get可以让协商缓存生效，原因是对资源新鲜度做了304返回的处理。

那么重点来看下ctx.fresh是如何处理的？

2. koa

可以看到Koa在request中的fresh方法如下：

状态码200-300之间以及304调用fresh方法，判断该请求的资源是否新鲜。

3. fresh方法源码解读

只保留核心代码，可以自行去看fresh的源码。

var CACHE_CONTROL_NO_CACHE_REGEXP = /(?:^|,)\s*?no-cache\s*?(?:,|$)/

function fresh (reqHeaders, resHeaders) {
   // 1. 如果这2个字段，一个都没有，不需要校验
  var modifiedSince = reqHeaders['if-modified-since']
  var noneMatch = reqHeaders['if-none-match']
  if (!modifiedSince && !noneMatch) {
    console.log('not fresh')
    return false
  }

  // 2. 给端对端测试用的，因为浏览器的Cache-Control: no-cache请求
  //    是不会带if条件的 不会走到这个逻辑
  var cacheControl = reqHeaders['cache-control']
  if (cacheControl && CACHE_CONTROL_NO_CACHE_REGEXP.test(cacheControl)) {
    return false
  }

  // 3. 比较 etag和if-none-match
  if (noneMatch && noneMatch !== '*') {
    var etag = resHeaders['etag']

    if (!etag) {
      return false
    }
    // 部分代码
    if (match === etag) {
        return true;
    }
  }
  
  // 4. 比较if-modified-since和last-modified
  if (modifiedSince) {
    var lastModified = resHeaders['last-modified']
    var modifiedStale = !lastModified || !(parseHttpDate(lastModified) <= parseHttpDate(modifiedSince))
    if (modifiedStale) {
      return false
    }
  }
  
  return true
}

fresh的代码判断逻辑总结如下，满足3种条件之一，fresh为true。

六、总结

浏览器缓存整体流程如下：

发出请求后，会先在本地查找缓存。
没有缓存去服务端请求最新的资源，返回给客户端（200），并重新进行缓存。
查到有缓存，要判断缓存本地是否过期(max-age等)。
没有过期，直接返回给客户端（200 from cache）。
如果缓存过期了，看是否有配置协商缓存（etag/last-modified），去服务端再验证该资源是否更新，本地缓存是否可以继续使用。
如果发现资源可用，返回304，告知客户端可以继续使用缓存，并根据max-age等更新缓存时间。不需要返回数据，加速请求时间。
如果服务端再验证失败，请求最新的资源，返回给客户端（200），并重新进行缓存。

我们常说的强缓存，其实就是直接在本地缓存获取，也就是Cache-Control: max-age等配置，不需要和服务端沟通。

而协商缓存是在强缓存的基础上，配置etag或last-modified等参数。本地缓存失效后，去服务端进行新鲜度检测。可以避免每次本地缓存过期后都返回最新的数据，造成请求缓慢。

七、参考资料

本文的源码分析围绕koa，不代表其他服务框架。对这块知识不了解建议实践一下。写错的地方，接受批评指正~