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这是进击的前端项目之性能优化系列的第一篇。

进击的前端这个项目目的在于构建大前端的体系化知识，感兴趣的话可以给个Star关注一下这个项目

写在前面：

为什么要使用缓存？

下面这张图说的很清楚了：

0OeKT1.png

关于前端的网络缓存的原理在网上一搜一大把，但是大多数都是很理论化的知识，并没有相应的实现。虽然这是前端的浏览器缓存知识，但是要实现的话，却是由我们服务端来做。作为一个合格的大前端，我们并不能只局限于做做页面或者看看浏览器控制台的信息，我们应当要对网络的具体交互和实现有个深入的了解，不然开发一个东西，我们却不知道底层或者实现的原理，那岂不是行于万丈高空之中？而且实现这个软件或者项目只是代表着这个项目的开始，不断地优化、迭代才是这个项目的核心或者说主要发展基调。笔者将在网络缓存这几篇文章中先从理论入手，然后以Node为服务端开发技术为大家展示实践。

知识大纲

之前在社区看其他前辈的面经的时候，发现大多数人问道前端缓存都认为只有HTTP 缓存。其实这是不对的，HTTP缓存仅仅只是我们浏览器缓存的一部分。通过缓存位置来划分的话，其实有四个部分(优先级从上往下)：

  • Memory Cache
  • Service Worker Cache
  • Disk Cache
  • Push Cache

这一节，笔者阐述的是日常开发较常使用的HTTP缓存机制（以下为这一节内容的思维导图）

0L4yE8.png

HTTP缓存机制

HTTP缓存机制分为两种：强缓存和协商缓存。强缓存的优先级要高于协商缓存，也就是说HTTP缓存中先走的强缓存，当强缓存未命中时才会走协商缓存。

强缓存

强缓存是通过HTTP Header中的expires和cache-control两个字段实现。如果命中强缓存的话，浏览器在对于该资源不会再向服务端通信。强缓存会存在我们disk cache(磁盘缓存)或者memory cache(内存缓存)下。

我们先来看看掘金首页的网络请求

0L6hGt.png

可以看到很多资源都是走的缓存获取的。

expires

在早期，也就是HTTP 1.0时代，用的都是expires 实现的。在我们的响应头中将缓存过期时间写入expires。

0LIGfe.png

可看到我们这个test.js文件状态码是200而且显示是来自memory cache（也就是内存缓存），同时可以注意到响应头中的expires的值是一个缓存过期时间（笔者写文时间是2020.10.17，过期时间我设置为了2020.10.25，也就是说过期时间后，缓存中将不会再有该文件，强缓存不再命中）

所以想要通过expires实现强缓存是非常简单的，不就是在响应头中加上expires字段然后设置一个过期时间放到expires中即可。以下是笔者通过Node实现的过程，需要设置强缓存的是我们的test.js。

首先是我们要访问的文件：

<!--index.html-->
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Document</title>
</head>
<body>
    <div>123</div>
    <script src="./test.js"></script>
</body>
</html>
// test.js
alert('ok');

我们的http server实现：

// server.js
/**
 * @description http server
 * @author Uni
 */

// 引入相关模块
const http = require('http');
const fs = require('fs');

// 构建 http server 句柄
const app = http.createServer(handleServer);

// 绑定端口以及启动监听
app.listen(3000, () => {
    console.log('server run...')
})


/**
 * @description  http server 控制层实现
 * @param {Object} req  请求对象 
 * @param {Objetc} res  响应对象
 */
function handleServer(req, res) {

    const method = req.method;
    const path = req.url;
    const filePath = __dirname;

    if (method === 'GET') {

        if (path === '/') {

            res.writeHead(200, {
                'Content-Type': 'text/html',
            });

            fs.readFile(filePath + '/index.html', (err, data) => {
                // 错误处理
                err && console.error(err);

                res.end(data);
            })

        }

        if (path === '/test.js') {
            res.writeHead(200, {
                'Content-Type': 'text/javascript',
                // 设置 expires
                'Expires': new Date('2020-10-18')
            })

            fs.readFile(filePath + '/test.js', (err, data) => {
                err && console.log(err);

                res.end(data);
            })
        }        
    }

    if (method === 'POST') {
        // some service...
    }

    // some other processing
}

实现效果：

第一次请求是有test.js资源大小显示的，第二次请求以及之后的请求都是显示disk cache（磁盘缓存）。

0Oirq0.png

强缓存已经成功实现。

在这里笔者想介绍一下笔者最近迷上的一种错误处理的写法，很简洁感觉，目前没有发现什么副作用，可以看到server.js异步读取文件的回调函数中有这样一段：

err && console.log(err);

这是通过逻辑与（&&）实现的错误打印，如果存在错误则打印错误。我这里甚至可以将console.log(err)换成一个特定的错误处理函数的调用，非常优雅。

这种写法不光比if语句要简洁许多（当然我没说这种写法可以替代if语句），而且它能够起到一个调用保护的作用。

比如Redux DevTools Extension中有这么一个语句：

0OFgmt.png

这句话的意思是如果window中有__REDUX_DEVTOOLS_EXTENSION__则调用，如果没有则无操作。

很优雅，很喜欢。

cache-control

回到expires，如果心细同学应该会发现expires有个弊端，那就是expires设置的过期时间是我们服务端设置时间，但是查找缓存是是客户端对比客户端当前时间查找的，如果客户端时间更改（比如手动更改时间到过期时间过后）那么强缓存便可能会不命中。而且如果服务端文件发生了变更，但在过期时间内，客户端是不会请求更改后的文件。

所以HTTP 1.1标准引入的cache-control对这点进行了改进，允许配置一个相对时间。通过cache-control中的max-age字段设置相对时间戳。比如max-age设置10000秒，那么在客户端首次加载这个资源的10000秒内都是命中强缓存的。

我们将我们的http server的逻辑更改一下（注意，先清一下缓存，毕竟在过期时间内，强缓存是不会知道我们服务端更改了资源内容的）：

0OVMu9.png

0OVrUP.png

100秒后我们重新刷新发现客户端又重新向服务端请求这段js资源，然后继续为其设置一个相对时间戳

0OVOKJ.png

cache-control不光只有max-age这个字段，还有s-maxage、no-cache、no-store这三个字段。

s-maxage：s-maxage 优先级高于 max-age，两者同时出现时，优先考虑 s-maxage。如果 s-maxage 未过期，则向代理服务器请求其缓存内容。注意，s-maxage仅在代理服务器中生效，客户端中我们只考虑max-age

no-cache：no-cache 绕开了浏览器，我们为资源设置了 no-cache 后，每一次发起请求都不会再去询问浏览器的缓存情况，而是直接向服务端去确认该资源是否过期。

no-store：设置了这个即代表不采用缓存策略。

协商缓存

协商缓存依赖于服务端与浏览器之间的通信，这是与强缓存之间最大的区别。

刚刚我们通过cache-control解决了强缓存绝对时间戳的问题以及增加了其他缓存配置，但是我们一直没实现资源如果未改动，则无需请求，只有改动后再请求这一优化。这是就要用到我们的协商缓存，浏览器先想服务器询问缓存的相关信息，进而判断是重新发起请求、加载资源，还是直接使用客户端缓存的资源。

如果服务端觉得缓存资源没有被改动，资源请求会被重定向到浏览器缓存，响应状态码是304 Not Modified

Last-Modified/if-Modified-Since

Last-Modified 是一个时间戳，如果我们启用了协商缓存，它会在首次请求时随着响应头返回。

随后我们每次请求时，会带上一个叫 If-Modified-Since 的时间戳字段，它的值正是上一次响应头返回给它的 Last-Modified 值。

我们来用这种方式实现一下协商缓存（以提前将请求路径改为/cache.js）

//server.js
 if (path === '/cache.js') {
            // 获取文件状态
           const filePath = __dirname + '/test.js';
           const stat = fs.statSync(filePath);
           const mtime = stat.mtime.toGMTString();
           const reqMtime = req.headers['if-modified-since'];
            
             //协商缓存触发,文件未修改
            if (mtime ===  reqMtime) {
                res.statusCode = 304;
                res.end();
                return;
            }
            
             // 文件修改，重新请求，设置协商缓存
            res.writeHead(200, {
                'Content-Type': 'text/javascript',
                'Last-Modified': mtime,
            })  

            fs.readFile(filePath, (err, data) => {
                err && console.error(err);

                res.end(data);
            })
        }

来看看效果：

0O19i9.png

可以发现，我们虽然设置了协商缓存，但是走的还是强缓存，但是我们没有设置强缓存呀？为什么这样？

这是因为浏览器默认启用了一个启发式缓存，这在设置了 Last-Modified 响应头且没有设置 Cache-Control: max-age/s-maxage 或 Expires 时会触发，它的一个缓存时间是用 Date - Last-Modified 的值的 10% 作为缓存时间

0O16wF.png

我们来修改一下代码：

// server.js
res.writeHead(200, {
    'Content-Type': 'text/javascript',
    'Last-Modified': mtime,
    'Cache-Control': 'max-age=0' // 修改地方
})

0O8EUe.png

协商缓存成功实现！

ETag

细心的同学可能会发现一个问题，Last-Modified是通过判断文件的状态也就是编辑时间进行判断，如果我们文件重新编辑了但是内容没有发生变化的话，仍会重新请求资源，仍达不到一个性能优化的效果。

为了解决这个问题，ETag出现了。Etag 是由服务器为每个资源生成的唯一的标识字符串，这个标识字符串是基于文件内容编码的，只要文件内容不同，它们对应的 Etag 就是不同的，反之亦然。因此 Etag 能够精准地感知文件的变化。Etag 和 Last-Modified 类似，当首次请求时，我们会在响应头里获取到一个最初的标识符字符串，下一次请求时，请求头里就会带上一个值相同的、名为 if-None-Match 的字符串供服务端比对了

我们来实现一下：

0OY8UO.png

通过代码我们也可以看出，ETag会造成很多服务器的开销，所以ETag不能替代Last-Modified，一般我们是同时使用的。Etag 在感知文件变化上比 Last-Modified 更加准确，优先级也更高。当 Etag 和 Last-Modified 同时存在时，以 Etag 为准。