前言

你好，我是一个前端切图仔。这是一篇切图仔学后端的学习笔记，今天我们盘的是缓存。本文实例搭建依赖的是 Node.js 。

缓存（cache），原始意义是指访问速度比一般随机存取存储器（RAM）快的一种高速存储器。

而在广义意义上，同样是存储的结构，若前者比后者的访问速率快一个量级，则称前者为后者的缓存。比如cache比内存快，内存取值比硬盘快等。

缓存简介

一般缓存都有如下特征：

命中率：命中率=正确结果数/请求缓存次数。它是衡量缓存有效性的重要指标，命中率越高，表名缓存的使用率越高
最大空间：可以存放元素的最大数量，若超过这个值，那么会触发清空策略
清空策略：

FIFO（first in first out）先进先出策略，最先进入缓存的优先被清除掉。
LFU（less frequently used）最少使用策略，无论是否过期，清除最少使用的元素
LRU（least recently used）最近最少使用策略，无论是否过期，根据元素最后一次被使用的时间戳，清除最远使用时间戳的元素释放空间。

客户端缓存

打开 Chrome 的 Network 面板，我们可以看到如下信息：

看到 Size 栏，我们可以看到这些资源部分是来自memory cache亦或是disk cache，还有 status 栏里面没有显示出来的 304 状态码。下面分别介绍这些。

加载资源顺序一般如下：

先去内存看，如果有，加载
内存没有，去硬盘看，如果有，加载
硬盘没有，则发起网络请求
加载到的资源根据规则缓存到硬盘和内存

memory cache & disk cache

内存缓存(from memory cache)：内存缓存具有两个特点，分别是快速读取和时效性：
快速读取：内存缓存会将编译解析后的文件，直接存入该进程的内存中，占据该进程一定的内存资源，以方便下次运行使用时的快速读取。
时效性：一旦该进程关闭，则该进程的内存则会清空。
硬盘缓存(from disk cache)：硬盘缓存则是直接将缓存写入硬盘文件中，读取缓存需要对该缓存存放的硬盘文件进行I/O操作，然后重新解析该缓存内容，读取复杂，速度比内存缓存慢。

在浏览器中，浏览器会在js和图片等文件解析执行后直接存入内存缓存中，那么当刷新页面时只需直接从内存缓存中读取(from memory cache)；而css文件则会存入硬盘文件中，所以每次渲染页面都需要从硬盘读取缓存(from disk cache)。

强缓存&协商缓存

在网络请求中，缓存一般分为强缓存和协商缓存，下面分别介绍：

强缓存

强制缓存就是向浏览器缓存查找该请求结果，并根据该结果的缓存规则来决定是否使用该缓存结果的过程，强制缓存的情况主要有三种(暂不分析协商缓存过程)，如下：

不存在该缓存结果和缓存标识，强制缓存失效，则直接向服务器发起请求
存在该缓存结果和缓存标识，但该结果已失效，强制缓存失效，则使用协商缓存
存在该缓存结果和缓存标识，且该结果尚未失效，强制缓存生效，直接返回该结果

那么强制缓存的缓存规则是什么？

当浏览器向服务器发起请求时，服务器会将缓存规则放入HTTP响应报文的HTTP头中和请求结果一起返回给浏览器，控制强制缓存的字段分别是Expires和Cache-Control，其中Cache-Control优先级比Expires高。

Expires

Expires 是HTTP/1.0控制网页缓存的字段，其值为服务器返回该请求结果缓存的到期时间，即再次发起该请求时，如果客户端的时间小于Expires的值时，直接使用缓存结果。

Expires 是HTTP/1.0的字段，但是现在浏览器默认使用的是HTTP/1.1，那么在 HTTP/1.1 中网页缓存还是否由 Expires 控制？

到了HTTP/1.1，Expire已经被Cache-Control替代，原因在于Expires控制缓存的原理是使用客户端的时间与服务端返回的时间做对比，那么如果客户端与服务端的时间因为某些原因（例如时区不同；客户端和服务端有一方的时间不准确）发生误差，那么强制缓存则会直接失效，这样的话强制缓存的存在则毫无意义，那么Cache-Control又是如何控制的呢？

Cache-Control

在 HTTP/1.1 中，Cache-Control是最重要的规则，主要用于控制网页缓存，主要取值为：

public ：所有内容都将被缓存（客户端和代理服务器都可缓存）
private ：所有内容只有客户端可以缓存，Cache-Control的默认取值
no-cache ：客户端缓存内容，但是是否使用缓存则需要经过协商缓存来验证决定
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=xxx ：缓存内容将在xxx秒后失效

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
协商缓存失效，返回200和请求结果结果

同样，协商缓存的标识也是在响应报文的HTTP头中和请求结果一起返回给浏览器的，控制协商缓存的字段分别有：Last-Modified / If-Modified-Since和Etag / If-None-Match，其中Etag / If-None-Match的优先级比Last-Modified / If-Modified-Since高。

Last-Modified / If-Modified-Since

Last-Modified是服务器响应请求时，返回该资源文件在服务器最后被修改的时间，如下。

If-Modified-Since则是客户端再次发起该请求时，携带上次请求返回的Last-Modified值，通过此字段值告诉服务器该资源上次请求返回的最后被修改时间。服务器收到该请求，发现请求头含有If-Modified-Since字段，则会根据If-Modified-Since的字段值与该资源在服务器的最后被修改时间做对比，若服务器的资源最后被修改时间大于If-Modified-Since的字段值，则重新返回资源，状态码为200；否则则返回304，代表资源无更新，可继续使用缓存文件。

Etag / 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

If-None-Match是客户端再次发起该请求时，携带上次请求返回的唯一标识Etag值，通过此字段值告诉服务器该资源上次请求返回的唯一标识值。服务器收到该请求后，发现该请求头中含有If-None-Match，则会根据If-None-Match的字段值与该资源在服务器的Etag值做对比，一致则返回304，代表资源无更新，继续使用缓存文件；不一致则重新返回资源文件，状态码为200。

注：Etag / If-None-Match优先级高于Last-Modified / If-Modified-Since，同时存在则只有Etag / If-None-Match生效。

小结

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)，协商缓存由服务器决定是否使用缓存，若协商缓存失效，那么代表该请求的缓存失效，重新获取请求结果，再存入浏览器缓存中；生效则返回304，继续使用缓存。

Node实现

有了上面的理论知识支持之后，我们可以尝试用Node.js来添加缓存的支持。缓存配置文件如下：

ps:source 为资源信息，部分代码已省略

const cache = {
    maxAge:3600,
    expires:true,
    cacheControl: true,
    lastModified: true,
    etag: true
}
module.exports = cache

接下来实现缓存判断的中间件逻辑


function refreshRes(stats, res) {
    const {maxAge, expires, cacheControl, lastModified, etag} = cache;
    if(expires) {
        res.setHeader('Expires', (new Date(Date.now() + maxAge*1000)).toUTCString());
    }
    if(cacheControl) {
        res.setHeader('Cache-Control', `public, max-age=${maxAge}`);
    }
    if(lastModified) {
        res.setHeader('Last-Modified', stats.mtime.toUTCString());
    }
    if(etag) {
        res.setHeader('ETag', generateETag(stats));
    }
}

function isFresh(source){
    refresh(source,res)
    const lastModified = req.headers['if-modified-since'];
    const etag = req.headers['if-none-match'];
    if(!lastModified && !etag) {
        return false;
    }
    if(lastModified && lastModified !== res.getHeader('Last-Modified')) {
        return false;
    }
    if(etag && etag !== res.getHeader('ETag')) {
        return false;
    }
    return true;
}
module.exports = isFresh

在返回资源时判断：

if(isFresh(resource, req, res)) {
    res.statusCode = 304;
    res.end();
    return;
}

服务端缓存

在一些比较大流量的网站中，离不开缓存层。为的也是减轻数据库层面的负担，常用的缓存系统有 Memcached、Redis。我们先来手写一个简单的缓存类，来看看这类型的缓存是咋的一回事。

Cache.js

一开始我们希望Cache有如下特征：

键值对存储
增删查方法
过期机制

新建一个Cache.js，如下编码：

class Cache {
    constructor(maxAge = 1000 * 60 * 30,max = 10) {
        this.maxAge = maxAge
        //保存缓存的 Map
        this.cache = new Map()
        //过期时间 Map
        this.ttl = new Map()
        this.max = max
    }
    getCache(key) {
        let ttl = this.ttl.get(key)
        if ((+new Date()) - ttl >= this.maxAge) {
            //过期了则删除
            this.deleteCache(key)
            return null
        } else {
            return this.cache.get(key)
        }
    }
    setCache(key, value) {
        this.cache.set(key) = value
        this.ttl.set(key) = +new Date()
    }
    deleteCache(key) {
        this.cache.delete(key)
        this.ttl.delete(key)
    }
}

module.exports = Cache

写出缓存时同时写入当前时间戳
拿缓存时对比时间戳，过期则删除，返回空

LRU缓存淘汰

下面加入缓存淘汰机制，以当前用的最多的LRU机制为例。（貌似面试也很喜欢让手写这个）

set流程：

已经存在，提升
达到max，淘汰最后一个
更新过期时间

get流程：

不存在则返回空
过期则删除
提升数据，返回

delete流程：

不存在则直接返回
依次让key后面的元素覆盖
删除ttl的key

class Cache {
    constructor(maxAge = 1000 * 60 * 30, max = 10) {
        this.maxAge = maxAge
        //保存缓存的object
        this.cache = [];
        this.max = max
        //过期时间object
        this.ttl = new Map()
    }
    getCache(key) {
        let index = this.findIndex(key);
        if (index === -1) {
            return undefined;
        }
        if ((+new Date()) - this.ttl.get(key) >= this.maxAge) {
            this.deleteCache(key)
            return undefined
        } else {
            // 删除此元素后插入到数组第一项
            let value = this.cache[index].value;
            this.cache.splice(index, 1);
            this.cache.unshift({
                key,
                value,
            });
            return value;
        }
    }
    setCache(key, value) {
        let index = this.findIndex(key);
        // 已经存在，提升
        if (index > -1) {
            this.cache.splice(index, 1);
        } else if (this.cache.length >= this.capacity) {
            // 若已经到达最大限制，先淘汰一个最久没有使用的
            this.cache.pop();
        }
        this.cache.unshift({
            key,
            value
        });
        this.ttl[key] = +new Date()
    }
    deleteCache(key) {
        let index = this.cache.findIndex(key)
        if(index == -1)return
        //依次提升
        for (let i = index; i < this.cache.length - 1; i++) {
            this.cache[i] = this.cache[i + 1]
        }
        delete this.ttl[key]
    }
    findIndex(key) {
        return this.cache.findIndex(item => key === item.key)
    }
}

module.exports = Cache

Memcached

简介

随着互联网的发展，传统的关系型数据库开始出现瓶颈。例如：

对数据库的高并发读写，处理过程复杂耗时。
海量数据处理，对于关系型数据库查询海量数据效率会很低

Memcached是高性能的分布式缓存服务器，通过缓存数据库查询结果，减少数据库访问次数，以提高动态Web应用的速度。

简单实例

在本地安装好Memcached后，安装node依赖：npm install memcached --save。再次简单封装一个Cache类如下：

const Memcached = require('memcached');
const memcached = new Memcached('localhost:11211');

class Cache {
    get(key) {
        return new Promise((resolve, reject) => {
            memcached.get(key, (err, data) => {
                if (err) {
                    reject(err)
                } else {
                    resolve(data)
                }
            })
        })
    }
    set(key, value, lifetime) {
        return new Promise((resolve, reject) => {
            memcached.set(key, value, lifetime, (err, data) => {
                if (err) {
                    reject(err)
                } else {
                    resolve(data)
                }
            })
        })
    }
}


const cache = new Cache()
async function test() {
    var json = {
        name: 'abc',
        age: 12,
        sa: 16
    }
    await cache.set('t', JSON.stringify(json), 0)
    const res = await cache.get('t')
    console.log(res)
}
test()

当一个请求过来时，比如要获取首页的文章，可先从缓存中取，若取不到则读取数据库然后加入缓存，下次来时可以直接从缓存返回。

ps:MySQL数据库操作：为Node.js加一个DB类

async getSubject(){
    let sql = `SELECT * FROM subject`
    let key = md5(sql)
    let data = await cache.get(key)
    let result
    if(!data){
        result = await db.table('subject').select()
        cache.set(key,JSON.stringify(result))
    }
    return result
}

分布式布置方案

当1台不能满足我们的需求，需要布置多台时，怎么保证一个数据保存到哪台服务器上呢？有两种方案，一种是普通Hash分布，另一种是一致性Hash分布。下面分别介绍

普通Hash分布

普通Hash函数大概如下：

function hash($key) {
    let md5Str = md5($key).substring(0, 8)
    let seed = 31
    let hash = 0
    for (let i = 0; i < 8; i++) {
        hash = hash * seed + md5Str[i].charCodeAt()
        i++
    }
    return hash & 0x7FFFFFFF
}

用md5把key处理成一个32位的字符串，取前8位
用hash处理成一个整数返回

假设配置两台服务器，则可以如下映射：

let servers = [{
    host: '192.168.1.12',
    port: 6397
}, {
    host: '192.168.1.20',
    port: 6397
}]

let key = 'key'
let value = 'value'
let config = servers[hash(key) % 2]
const memcached = new Memcached(config)

一致性Hash分布

在服务器数量不发生变化时，普通Hash可以很好地运作。但是当服务器数量发生改变时，增加一台服务器，同一个key经过hash之后会跟增加之前的结果不一样，这会导致数据丢失。为了把丢失的数据减少到最少，可以使用一致性Hash算法。

切图仔学后端-缓存

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