前端性能优化成神之路-浏览器缓存机制详解
前述
对一个网站而言，CSS、javascript、logo、图标这些静态资源文件更新的频率都比较低，而这些文件又几乎是每次http请求都需要的，如果将这些文件缓存在浏览器中，可以极好的改善性能。
缓存可以说是性能优化中简单高效的一种优化方式了。一个优秀的缓存策略可以缩短网页请求资源的距离，减少延迟，并且由于缓存文件可以重复利用，还可以减少带宽，降低网络负荷。
对于一个数据请求来说，可以分为发起网络请求、后端处理、浏览器响应三个步骤。浏览器缓存可以帮助我们在第一和第三步骤中优化性能。比如说直接使用缓存而不发起请求，或者发起了请求但后端存储的数据和前端一致，那么就没有必要再将数据回传回来，这样就减少了响应数据。
通过设置http头中的cache-control和expires的属性和HTML Meta标签，可设定浏览器缓存，缓存时间可以是数天，甚至是几个月。
浏览器缓存控制机制有两种：HTML Meta标签 vs. HTTP头信息（主要）
缓存位置
从缓存位置上来说分为四种，并且各自有优先级，当依次查找缓存且都没有命中的时候，才会去请求网络。
缓存位置——Service Worker
Service Worker 是运行在浏览器背后的独立线程，一般可以用来实现缓存功能。使用 Service Worker的话，传输协议必须为 HTTPS。因为 Service Worker 中涉及到请求拦截，所以必须使用 HTTPS 协议来保障安全。Service Worker 的缓存与浏览器其他内建的缓存机制不同，它可以让我们自由控制缓存哪些文件、如何匹配缓存、如何读取缓存，并且缓存是持续性的。
Service Worker 实现缓存功能一般分为三个步骤：首先需要先注册 Service Worker，然后监听到 install 事件以后就可以缓存需要的文件，那么在下次用户访问的时候就可以通过拦截请求的方式查询是否存在缓存，存在缓存的话就可以直接读取缓存文件，否则就去请求数据。
当 Service Worker 没有命中缓存的时候，我们需要去调用 fetch 函数获取数据。也就是说，如果我们没有在 Service Worker 命中缓存的话，会根据缓存查找优先级去查找数据。但是不管我们是从 Memory Cache 中还是从网络请求中获取的数据，浏览器都会显示我们是从 Service Worker 中获取的内容。
缓存位置——Memory Cache
Memory Cache 也就是内存中的缓存，主要包含的是当前中页面中已经抓取到的资源,例如页面上已经下载的样式、脚本、图片等。读取内存中的数据肯定比磁盘快,内存缓存虽然读取高效，可是缓存持续性很短，会随着进程的释放而释放。 一旦我们关闭 Tab 页面，内存中的缓存也就被释放了。
那么既然内存缓存这么高效，我们是不是能让数据都存放在内存中呢？
这是不可能的。计算机中的内存一定比硬盘容量小得多，操作系统需要精打细算内存的使用，所以能让我们使用的内存必然不多。
当我们访问过页面以后，再次刷新页面，可以发现很多数据都来自于内存缓存
缓存过程分析
浏览器与服务器通信的方式为应答模式，即是：浏览器发起HTTP请求 – 服务器响应该请求，
那么浏览器怎么确定一个资源该不该缓存，如何去缓存呢？浏览器第一次向服务器发起该请求后拿到请求结果后，将请求结果和缓存标识存入浏览器缓存，
浏览器对于缓存的处理是根据第一次请求资源时返回的响应头来确定的。具体过程如下图：
浏览器每次发起请求，都会先在浏览器缓存中查找该请求的结果以及缓存标识
浏览器每次拿到返回的请求结果都会将该结果和缓存标识存入浏览器缓存中
HTML Meta 标签定义的缓存机制
可以在HTML页面的<head>节点中加入<meta>标签，这样写的话仅对该网页有效，对网页中的图片或其他请求无效。代码如下：
<meta http-equiv="Cache-Control" content="max-age=7200" /> <meta http-equiv="Expires" content="Sun Oct 15 2017 20:39:53 GMT+0800 (CST)" />
Pragma是http1.0版本中给客户端设定缓存方式之一
下面代码的作用是告诉浏览器当前页面不被缓存，每次访问都需要去服务器拉取。使用上很简单，但只有部分浏览器可以支持，而且所有缓存代理服务器都不支持，因为代理不解析HTML内容本身。
仅有IE才能识别这段meta标签含义，其它主流浏览器仅识别“Cache-Control: no-store”的meta标签。
在IE中识别到该meta标签含义，并不一定会在请求字段加上Pragma，但的确会让当前页面每次都发新请求（仅限页面，页面上的资源则不受影响）。
HTTP头信息缓存机制：
HTTP头信息缓存机制有可以分为两种强缓存（完全不问服务端资源有没有更新，直接拿浏览器缓存）和协商缓存
强缓存
不会向服务器发送请求，直接从缓存中读取资源，在chrome控制台的Network选项中可以看到该请求返回200的状态码，并且Size显示from disk cache或from memory cache。
Expires策略
Expires是Web服务器响应消息头字段，在响应http请求时告诉浏览器在过期时间前浏览器可以直接从浏览器缓存取数据，而无需再次请求。
不过Expires 是HTTP 1.0的东西，现在默认浏览器均默认使用HTTP 1.1，所以它的作用基本忽略。
Expires 的一个缺点就是，返回的到期时间是服务器端的时间，这样存在一个问题，如果客户端的时间与服务器的时间相差很大（比如时钟不同步，或者跨时区），那么误差就很大，所以在HTTP 1.1版开始，使用Cache-Control: max-age=秒替代。
Cache-control策略（重点关注）
Cache-Control与Expires的作用一致，都是指明当前资源的有效期，控制浏览器是否直接从浏览器缓存取数据还是重新发请求到服务器取数据。
在HTTP/1.1中，Cache-Control是最重要的规则，主要用于控制网页缓存。比如当Cache-Control:max-age=300时，则代表在这个请求正确返回时间（浏览器也会记录下来）的5分钟内再次加载资源，就会命中强缓存。
只不过Cache-Control的选择更多，设置更细致，如果同时设置的话，其优先级高于Expires。
并且可以组合使用多种指令：值可以是public、private、no-cache、no- store、no-transform、must-revalidate、proxy-revalidate、max-ageCache-Control 。如（（Cache-Control:private, s-maxage=0））
public：所有内容都将被缓存（客户端和代理服务器都可缓存）
具体来说响应可被任何中间节点缓存，如 Browser <-- proxy1 <-- proxy2 <-- Server，中间的proxy可以缓存资源，比如下次再请求同一资源proxy1直接把自己缓存的东西给 Browser 而不再向proxy2要。
private：所有内容只有客户端可以缓存
Cache-Control的默认取值。具体来说，表示中间节点不允许缓存，对于Browser <-- proxy1 <-- proxy2 <-- Server，proxy 会老老实实把Server 返回的数据发送给proxy1,自己不缓存任何数据。当下次Browser再次请求时proxy会做好请求转发而不是自作主张给自己缓存的数据。
no-cache：客户端缓存内容，是否使用缓存则需要经过协商缓存来验证决定。
表示不使用 Cache-Control的缓存控制方式做前置验证，而是使用 Etag 或者Last-Modified字段来控制缓存。
需要注意的是，no-cache这个名字有一点误导。设置了no-cache之后，并不是说浏览器就不再缓存数据，只是浏览器在使用缓存数据时，需要先确认一下数据是否还跟服务器保持一致。
no-store：所有内容都不会被缓存，即不使用强制缓存，也不使用协商缓存
max-age：max-age=xxx (xxx is numeric)表示缓存内容将在xxx秒后失效
s-maxage（单位为s)：同max-age作用一样，只在代理服务器中生效（比如CDN缓存）。比如当s-maxage=60时，在这60秒中，即使更新了CDN的内容，浏览器也不会进行请求。max-age用于普通缓存，而s-maxage用于代理缓存。s-maxage的优先级高于max-age。如果存在s-maxage，则会覆盖掉max-age和Expires header。
max-stale：能容忍的最大过期时间。max-stale指令标示了客户端愿意接收一个已经过期了的响应。如果指定了max-stale的值，则最大容忍时间为对应的秒数。如果没有指定，那么说明浏览器愿意接收任何age的响应（age表示响应由源站生成或确认的时间与当前时间的差值）。
min-fresh：能够容忍的最小新鲜度。min-fresh标示了客户端不愿意接受新鲜度不多于当前的age加上min-fresh设定的时间之和的响应。
我们可以将多个指令配合起来一起使用，达到多个目的。比如说我们希望资源能被缓存下来，并且是客户端和代理服务器都能缓存，还能设置缓存失效时间等等。
代码演示，首先我们创建一个node服务，并且写一个请求文件的的request
const http = require('http')
const fs = require('fs')
http.createServer(function (request, response) {
console.log('request come', request.url)
if (request.url === '/') {
const html = fs.readFileSync('test.html', 'utf8')
response.writeHead(200, {
'Content-Type': 'text/html'
})
response.end(html)
}
if (request.url === '/script.js') {
response.writeHead(200, {
'Content-Type': 'text/javascript',
'Cache-Control': 'max-age=200'
// 'Cache-Control': 'max-age=200, public' //可以设置多个，号分隔
})
response.end('console.log("script loaded")')
}
}).listen(8888)
console.log('server listening on 8888')
在test.html中发送一个请求script.js的文件
<!DOCTYPE html> <html lang="en"> <head> <meta charset="UTF-8"> <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0"> <meta http-equiv="X-UA-Compatible" content="ie=edge"> <title>Document</title> </head> <body> </body> <script src="/script.js"></script> </html>
启动服务，并且访问test.html，发送请求，运行结果可以看到第一次是实实在在的发起了请求的，再次刷新的时候，就直接从缓存中拿了，没有再发送请求
Expires和Cache-Control两者对比
其实这两者差别不大，区别就在于 Expires 是http1.0的产物，Cache-Control是http1.1的产物，两者同时存在的话，Cache-Control优先级高于Expires；在某些不支持HTTP1.1的环境下，Expires就会发挥用处。所以Expires其实是过时的产物，现阶段它的存在只是一种兼容性的写法。
强缓存判断是否缓存的依据来自于是否超出某个时间或者某个时间段，而不关心服务器端文件是否已经更新，这可能会导致加载文件不是服务器端最新的内容，
那我们如何获知服务器端内容是否已经发生了更新呢？此时我们需要用到协商缓存策略。
协商缓存
协商缓存就是强制缓存失效后，浏览器携带缓存标识向服务器发起请求，由服务器根据缓存标识决定是否使用缓存的过程，主要有以下两种情况：
协商缓存生效，返回304和Not Modified，如下图：
协商缓存失效，返回200和请求结果，如下图：
协商缓存可以通过设置两种 HTTP Header 实现：Last-Modified 和 ETag 。
Last-Modified／If-Modified-Since
浏览器在第一次访问资源时，服务器返回资源的同时，在response header中添加 Last-Modified的header，值是这个资源在服务器上的最后修改时间，浏览器接收后缓存文件和header；
Last-Modified: Fri, 22 Jul 2016 01:47:00 GMT
浏览器下一次请求这个资源，当资源过期时（使用Cache-Control标识的max-age），浏览器检测到有 Last-Modified这个header，于是添加If-Modified-Since这个header，值就是Last-Modified中的值；服务器再次收到这个资源请求，会根据 If-Modified-Since 中的值与服务器中这个资源的最后修改时间对比，如果没有变化，返回304和空的响应体，直接从缓存读取，如果If-Modified-Since的时间小于服务器中这个资源的最后修改时间，说明文件有更新，于是返回新的资源文件和200
如果本地打开缓存文件，即使没有对文件进行修改，但还是会造成 Last-Modified 被修改，服务端不能命中缓存导致发送相同的资源
因为 Last-Modified 只能以秒计时，如果在不可感知的时间内修改完成文件，那么服务端会认为资源还是命中了，不会返回正确的资源
既然根据文件修改时间来决定是否缓存尚有不足，能否可以直接根据文件内容是否修改来决定缓存策略？所以在 HTTP / 1.1 出现了 ETag 和If-None-Match
ETag和If-None-Match
Etag是服务器响应请求时，返回当前资源文件的一个唯一标识(由服务器生成)，只要资源有变化，Etag就会重新生成。
浏览器在下一次加载资源向服务器发送请求时，当资源过期时（使用Cache-Control标识的max-age），发现资源具有Etag声明，会将上一次返回的Etag值放到request header里的If-None-Match里，服务器只需要比较客户端传来的If-None-Match跟自己服务器上该资源的ETag是否一致，就能很好地判断资源相对客户端而言是否被修改过了。如果服务器发现ETag匹配不上，那么直接以常规GET 200回包形式将新的资源（当然也包括了新的ETag）发给客户端；如果ETag是一致的，则直接返回304知会客户端直接使用本地缓存即可。
Last-Modified／Etag两者之间对比
Last-Modified/If-Modified-Since要配合Cache-Control使用。
Etag/If-None-Match：Etag/If-None-Match也要配合Cache-Control使用。
首先在精确度上，Etag要优于Last-Modified，Last-Modified与ETag一起使用时，服务器会优先验证ETag。
Last-Modified的时间单位是秒，如果某个文件在1秒内改变了多次，那么他们的Last-Modified其实并没有体现出来修改，但是Etag每次都会改变确保了精度；如果是负载均衡的服务器，各个服务器生成的Last-Modified也有可能不一致。
第二在性能上，Etag要逊于Last-Modified，毕竟Last-Modified只需要记录时间，而Etag需要服务器通过算法来计算出一个hash值。
缓存机制
强制缓存优先于协商缓存进行，若强制缓存(Expires和Cache-Control)生效则直接使用缓存，若不生效则进行协商缓存(Last-Modified / If-Modified-Since和Etag / If-None-Match)，
如果什么缓存策略都没设置，那么浏览器会怎么处理？
对于这种情况，浏览器会采用一个启发式的算法，通常会取响应头中的 Date 减去 Last-Modified 值的 10% 作为缓存时间。
实际场景应用缓存策略
频繁变动的资源
对于频繁变动的资源，首先需要使用Cache-Control: no-cache 使浏览器每次都请求服务器，然后配合 ETag 或者 Last-Modified 来验证资源是否有效。这样的做法虽然不能节省请求数量，但是能显著减少响应数据大小。
不常变化的资源
max-age=31536000 (一年)，这样浏览器之后请求相同的 URL 会命中强制缓存。而为了解决更新的问题，就需要在文件名(或者路径)中添加 hash， 版本号等动态字符，之后更改动态字符，从而达到更改引用 URL 的目的，让之前的强制缓存失效 (其实并未立即失效，只是不再使用了而已)。在线提供的类库 (如
jquery-3.3.1.min.js, lodash.min.js 等) 均采用这个模式。
用户行为对浏览器缓存的影响
浏览器缓存行为还有用户的行为有关，所谓用户行为对浏览器缓存的影响，指的就是用户在浏览器如何操作时，会触发怎样的缓存策略。主要有 3 种：
打开网页，地址栏输入地址： 查找 disk cache 中是否有匹配。如有则使用；如没有则发送网络请求。
普通刷新 (F5)：因为 TAB 并没有关闭，因此 memory cache 是可用的，会被优先使用(如果匹配的话)。其次才是 disk cache。
强制刷新 (Ctrl + F5)：浏览器不使用缓存，因此发送的请求头部均带有 Cache-control: no-cache(为了兼容，还带了 Pragma: no-cache),服务器直接返回 200 和最新内容。
