计算机网络协议系列 - HTTP 协议篇：HTTP 缓存工作机制和实现原理（上）
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首先需要声明的是，我们这里讨论的缓存是基于 HTTP 协议实现的缓存，这些缓存通常存储在 HTTP 客户端，通过请求头或响应头来协商和标识，而不是那些存储在 Memcached 或者 Redis 服务器中的缓存，后者更多用来缓存从数据库中获取的数据。
为什么需要缓存
在通过客户端访问服务器时，对于某些静态资源文件或页面（比如 HTML 文档、CSS、JavaScript 文件、图片等），它们变动的频率很小，同一个客户端发起多次请求返回的都是同一个文件，这样就会对服务器的带宽造成浪费，同时也会加重 Web 服务器的负载，降低 Web 服务器的性能。如果在客户端首次获取到这些静态文件后，将这些变动频率很低的静态文件缓存到客户端，这样，客户端下次发起请求时，就可以直接从本地获取对应的缓存文件，不必每次都从服务器获取，就可以提高服务器的负载，进而提升服务器的性能，同时还会减少网络流量，降低客户端请求等待延迟，从而提升客户端用户的体验，这就是 HTTP 缓存的意义。
HTTP缓存的种类
HTTP 缓存的种类有很多，但大致可以分为私有缓存和共享缓存两种：
- 私有缓存：作用于单个用户，通常就是浏览器缓存；
- 共享缓存：往往存放在可以被多个用户共享的代理之中，所以有时候也叫代理缓存。
除此之外还有网关缓存也属于 HTTP 缓存，反向代理缓存、CDN 缓存都属于其范畴之内，这些更加复杂的缓存我们放到后续去讨论，而代理缓存往往存储在公司或 ISP 服务商假设的作为本地网络一部分的 Web 代理中，也不是我们本篇重点讨论的内容，所以接下来我们主要以客户端浏览器缓存为例来介绍 HTTP 缓存的工作机制和实现原理。
HTTP缓存的工作机制
虽然 HTTP 缓存的种类繁多，构建机制也不尽相同，但基本工作原理是一致的，无外乎以下这几个步骤：
- 接收：读取请求报文；
- 解析：对请求报文进行解析，提取 URL 和各种首部字段；
- 查询：查看是否有本地缓存可用，如果没有，则从服务器获取相应的资源并存储到本地；
- 新鲜度检查：缓存不会一直有效，所谓的「新鲜度」指的是和食品的保质期类似，缓存是有有效期的，在有效期之内才可以使用，否则需要向服务器查询对应资源是否有更新；
- 创建响应：缓存会用新的首部和缓存的响应主体来构建响应报文；
- 发送：将响应发送给客户端；
- 日志：缓存可以创建一条日志来记录这个 HTTP 事务。
所以，总结下来，一个 HTTP 请求的缓存处理流程如下：
另外，需要注意的是通常我们只会对 GET 请求资源进行缓存，因为只有 GET 请求不会对资源实体的状态进行改变，OPTIONS 请求不返回响应实体没有缓存的意义，而其他诸如 POST、PUT、DELETE、PATCH 这些会改变资源状态的请求则不能进行缓存。
HTTP缓存的实现原理
基于 HTTP 协议的 HTTP 缓存是通过在请求头和响应头中设置相应的字段值来实现的，下面我们将详细介绍比较常见的缓存相关首部字段，比如 Expires、Cache-Control、Last-Modified/If-Modified-Since、Etag/If-None-Match 等。
1）Expires
Expires 字段的值为服务端返回的缓存资源到期时间（绝对时间），即下一次请求时，请求时间小于服务端返回的到期时间，直接使用缓存数据。
不过 Expires 是 HTTP/1.0 的东西，现在浏览器均默认使用 HTTP/1.1，所以它的作用基本忽略。
另一个问题是，到期时间是由服务端生成的，但是客户端时间可能跟服务端时间有误差，这就会导致缓存命中的误差。所以 HTTP/1.1 使用 Cache-Control 替代该字段。而且如果在 Cache-Control 响应头设置了 max-age 或者 s-max-age 指令，那么 Expires 头也会被忽略。
下一篇我们将继续探讨基于 Cache-Control、Last-Modified/If-Modified-Since、Etag/If-None-Match 这三种方式实现 HTTP 缓存。