HTTP 缓存技术

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1. 缓存概述

HTTP 缓存技术通过存储已请求资源的副本，减少重复请求、提升响应速度，并节省带宽。缓存可以在客户端、代理服务器、CDN（内容分发网络）等位置进行，能够有效提升 Web 应用的性能、降低服务器压力和加速用户访问体验。

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2. 缓存的位置和类型

2.1 浏览器缓存（客户端缓存）

• 缓存控制：通过 HTTP 头部（如 Cache-Control、Expires 等）控制缓存行为。
  • 使用 Cache-Control 控制缓存有效期。
  • 使用 Expires 指定缓存的过期时间。

在 Java 中，使用 Servlet 或 Spring 框架来设置缓存头部。

Servlet 示例：

import javax.servlet.*;
import javax.servlet.http.*;
import java.io.*;public class CacheControlServlet extends HttpServlet {protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {// 设置缓存控制头部，设置最大缓存时间为 1 小时response.setHeader("Cache-Control", "max-age=3600");response.setHeader("Expires", "Wed, 21 Oct 2023 07:28:00 GMT");// 设置响应内容PrintWriter out = response.getWriter();out.println("This response is cached for 1 hour.");}
}

Spring 示例：
在 Spring 控制器中设置缓存头部：

import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import org.springframework.http.ResponseEntity;@RestController
public class CacheController {@GetMapping("/cache")public ResponseEntity<String> getCachedResponse() {return ResponseEntity.ok().header("Cache-Control", "max-age=3600")  // 设置最大缓存时间为 1 小时.header("Expires", "Wed, 21 Oct 2023 07:28:00 GMT")  // 设置过期时间.body("This response is cached for 1 hour.");}
}

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2.2 代理缓存（Proxy Cache）

• 代理缓存是指代理服务器在处理客户端请求时缓存资源，以便其他客户端可以共享该资源，减少重复请求。

例如，设置代理缓存：

response.setHeader("Cache-Control", "public, max-age=3600");  // 允许代理服务器缓存

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2.3 CDN 缓存（Content Delivery Network）

• CDN 缓存：CDN 节点缓存资源并分发到全球用户，减少请求延迟并加速资源加载。

在 Java 中，通常通过设置 Cache-Control 头部和 CDN 配置来使用缓存：

response.setHeader("Cache-Control", "public, max-age=86400");  // 资源缓存 24 小时

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2.4 服务器端缓存

• 内存缓存：可以使用如 Redis 或 Memcached 等缓存工具来缓存数据。
• 文件缓存：将动态生成的页面或数据存储为文件，避免重复计算。

Redis 缓存（Java 示例）：
使用 Jedis（Redis 客户端）来缓存数据：

import redis.clients.jedis.Jedis;public class RedisCacheExample {public static void main(String[] args) {Jedis jedis = new Jedis("localhost");// 设置缓存jedis.set("popular_items", "item1, item2, item3");// 获取缓存String cachedData = jedis.get("popular_items");System.out.println("Cached Data: " + cachedData);}
}

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2.5 移动端缓存

• 移动端通常通过本地存储（如 SharedPreferences、SQLite）来缓存数据。
• 在 Java 后端与移动端的接口中，可以通过设置正确的 HTTP 头部来支持缓存。

例如，可以使用类似以下的方式向移动端应用发送缓存头：

response.setHeader("Cache-Control", "max-age=86400");  // 缓存 1 天

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2.6 Web 应用缓存（Service Worker）

• Web 应用可以通过 Service Worker 来缓存资源，实现离线功能。
  • Java 后端可以为前端提供静态资源，这些资源可以通过 Service Worker 进行缓存。

Service Worker（前端 JS 示例）：

self.addEventListener('install', (event) => {event.waitUntil(caches.open('my-cache').then((cache) => {return cache.addAll(['/index.html','/styles.css','/app.js',]);}));
});self.addEventListener('fetch', (event) => {event.respondWith(caches.match(event.request).then((cachedResponse) => {return cachedResponse || fetch(event.request);}));
});

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3. 常见 HTTP 头部字段

3.1 Cache-Control

• 控制浏览器缓存的行为，常用指令包括：
  • max-age=<seconds>：资源最大缓存时间（秒）。
  • public：资源可以被任何缓存存储（浏览器、代理服务器）。
  • private：资源仅能被客户端缓存。
  • no-cache：需要重新验证资源有效性。
  • no-store：禁止缓存。

在 Java 后端中可以通过设置 Cache-Control 来控制缓存：

response.setHeader("Cache-Control", "max-age=86400");  // 缓存 1 天

3.2 Expires

• 指定资源的过期时间，过期后浏览器必须重新向服务器请求资源。

response.setHeader("Expires", "Wed, 21 Oct 2023 07:28:00 GMT");

3.3 Last-Modified

• 服务器返回资源的最后修改时间。客户端可以通过 If-Modified-Since 请求头向服务器确认资源是否更新。

Java 示例：

response.setHeader("Last-Modified", "Wed, 21 Oct 2023 07:28:00 GMT");

3.4 ETag

• 资源的唯一标识符，通常是资源内容的哈希值。客户端可以通过 If-None-Match 请求头验证缓存是否更新。

response.setHeader("ETag", "abc123");

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4. 缓存策略

4.1 强缓存（Strong Cache）

• 在缓存有效期内，客户端直接使用缓存，不会向服务器发送请求。
  • 由 Cache-Control 或 Expires 控制。

response.setHeader("Cache-Control", "max-age=86400");  // 缓存 1 天

4.2 协商缓存（Conditional Cache）

• 客户端存储缓存，但每次请求前会向服务器确认资源是否更新。如果没有更新，服务器返回 304 状态码。
  • 通过 ETag 或 Last-Modified 验证。

Java 示例：检查资源是否修改

String lastModified = "Wed, 21 Oct 2023 07:28:00 GMT";
response.setHeader("Last-Modified", lastModified);String ifModifiedSince = request.getHeader("If-Modified-Since");
if (ifModifiedSince != null && ifModifiedSince.equals(lastModified)) {response.setStatus(HttpServletResponse.SC_NOT_MODIFIED);  // 返回 304 状态码return;
}

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5. 缓存管理和挑战

5.1 缓存失效

• 缓存内容可能过时，必须确保在资源更新时及时清除或更新缓存，避免展示过时的数据。

5.2 缓存一致性

• 在分布式缓存系统中，确保缓存节点之间的一致性是个挑战。必须保持缓存数据与源数据同步。

5.3 安全性问题

• 对于敏感信息（如账户、支付数据等），需要确保数据不被缓存，避免泄露。

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6. 缓存优化策略

6.1 设置合理的缓存时间

• 根据资源的更新频率设置 max-age 和 Expires，静态资源缓存时间长，动态资源缓存时间短。

response.setHeader("Cache-Control", "max-age=3600");  // 缓存 1 小时

6.2 使用版本化文件

• 通过版本号或哈希值（如 app.js?v=2）确保资源更新时强制浏览器重新加载最新版本。