分布式软件架构——客户端缓存

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浏览器的客户端缓存

当万维网刚刚出现的时候，浏览器的缓存机制差不多就已经存在了。在 HTTP 协议设计之初，人们便确定了服务端与客户端之间“无状态”（Stateless）的交互原则，即要求客户端的每次请求是独立的，每次请求无法感知、也不能依赖另一个请求的存在，这既简化了 HTTP 服务器的设计，也为它的水平扩展能力留下了广阔的空间。
但无状态并不是只有好的一面。因为客户端的每次请求都是独立的，服务端不会保存之前请求的状态和资源，所以也不可避免地导致它会携带重复的数据，造成网络性能的降低。
那么，HTTP 协议针对这个问题的解决方案，就是客户端缓存。从 HTTP/1.0 到 1.1、再到 2.0 版本的演进中，逐步形成了现在被称为“状态缓存”、“强制缓存”（或简称为“强缓存”）和“协商缓存”这三种 HTTP 缓存机制。

状态缓存

这其中的状态缓存，是指不经过服务器，客户端直接根据缓存信息来判断目标网站的状态。以前只有301/Moved Permanently（永久重定向）这一种，后来在RFC6797中增加了HSTS（HTTP Strict Transport Security）机制，用来避免依赖301/302跳转HTTPS时，可能产生的降级中间人劫持问题，这也属于另一种状态缓存。
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下面是浏览www.hao123.com时发生302重定向的结果状态码，

几种重定向状态码区别

301 Moved Permanently：永久性定向，该状态码表示请求的资源已被分配了新的URI，以后应使用资源现在所指的URI；

302 Found：临时性重定向，该状态码表示请求的资源已被分配了新的URI，用户本次临时能使用的URI访问；

303 See Other，307 Temporary Redirect等等略；

比如在Web浏览器中输入www.baidu.com/，而不是http://www.baidu.com/。在这种情况下浏览器假设你想使用HTTP协议，所以它在这个阶段发出一个HTTP请求到www.baidu.com/，同时Web Server会返回301状态码请求重定向到HTTPS站点。接下来浏览器使用HTTPS连接到www.baidu.com/（最终URLhttps://www.baidu.com/）。这时HSTS安全策略保护开始使用HTTP响应头：

Strict-Transport-Security: max-age=172800; includeSubDomains; preload

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响应头的 Strict-Transport-Security 给浏览器提供了详细的说明。从现在开始，每个连接到该网站及其子域的下一年（172800秒）从这个头被接收的时刻起必须是一个 HTTPS 连接。 HTTP 连接是完全不允许的。如果浏览器接收到使用 HTTP 加载资源的请求，则必须尝试使用 HTTPS 请求替代。如果 HTTPS 不可用，则必须直接终止连接。

此外，如果证书无效，将阻止你建立连接。通常来说，如果 HTTPS 证书无效（如：过期、自签名、由未知 CA 签名等），浏览器会显示一个可以规避的警告。但是，如果站点有 HSTS，浏览器就不会让你绕过警告。若要访问该站点，必须从浏览器内的 HSTS 列表中删除该站点。

强制缓存

它对一致性问题的处理策略十分直接：假设在某个时间点内，比如服务器收到响应后的10分钟内，资源的内容和状态一定不会被改变，因此客户端可以不需要经过任何请求，在该时间点到来之前一直持有和使用该资源的本地缓存副本。
根据约定，在浏览器的地址输入、页面链接跳转、新开窗口、前进和后退中，强制缓存都可以生效，但在用户主动刷新页面时应当自动失效。
在HTTP协议中，设置了两类可以实现强制缓存的Headers：Expires和Cache-Control

Expires

它是HTTP/1.0协议中开始提供的Header，后面跟随一个截止时间参数。当服务器返回某个资源时，如果带有该Header的话，就意味着服务器承诺在截止时间之前，资源不会发生变动，浏览器可以直接缓存该数据，不再重新发起请求。如下示例，

HTTP/1.1 200 OK
Expires:Sun, 2 Jul 2023 11:26:15 GMT

那么过期时间很直观，但它存在下面几个问题

受限于客户端的本地时间；
无法处理涉及到用户身份的私有资源；
无法描述“不缓存”的语义；

Cache-Control

它是HTTP/1.1协议中开始提供的Header，它的语义更丰富。如果两者同时存在，并且语义存在冲突时，IETF规定必须以Cache-Control为准，以下面为例，下面是缓存时间600秒，

HTTP/1.1 200 OK
Cache-Control:max-age=600

Cache-Control标准的参数包括下面几种：

max-age：跟随一个数字，以秒为单位，表示相对于请求时间（Date）多少秒以内，缓存有效；
s-maxage：共享缓存的有效时间，提示CDN这类服务器如何对缓存进行失效；
public：资源可以被代理、CDN等缓存；
private：只能由用户的客户端进行私有缓存；
no-cache：不应被缓存，哪怕同一个会话中对同一个URL地址的请求也必须从服务端获取，从而令强制缓存完全失效；
no-store：不强制会话中是否重复获取相同的URL资源，但它禁止浏览器、CDN等以任何形式保留该资源；
no-transform：禁止资源以任何形式被修改；
min-fresh：跟随一个数字，以秒为单位，用于建议服务器能返回一个不少于该时间的缓存资源；
only-if-cached：表示服务器希望客户端不要发送请求，只使用缓存来进行响应，若缓存不能命中，则直接返回503/Service Unavailable错误；
must-revalidate：表示资源国旗后，一定要从服务器中进行获取，即超过了max-age的时间后，就等同于no-cache；
proxy-revalidate：用于提示代理、CDN等资源过期后的缓存行为，除对象不同外，语义和must-revalidate完全一致；

下面是no-cache的示例，
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协商缓存

在HTTP中，协商缓存与强制缓存并没有互斥性，两套机制可以并行工作。协商缓存有下面两种变动检查机制。

根据资源的修改时间进行检查

Last-Modified：服务器的响应Header，用来告诉客户端这个资源的最后修改时间；
If-Modified-Since：当客户端再次请求时，会通过If-Modified-Since把之前收到的资源最后修改时间发送回服务端；
如果此时，服务端发现资源在该时间后没有被修改过，就只要返回一个304/Not Modified的响应即可，无需附带消息体，从而达到节省流量的目的。