JavaScript Web编程中的缓存策略
2022-08-195.4k 阅读
一、缓存概述
在JavaScript Web编程中，缓存是提升性能的重要手段。缓存简单来说，就是在内存或其他存储介质中保存数据副本，以便在后续需要相同数据时能够快速获取，而无需再次从原始数据源（如服务器或数据库）获取。
1.1 缓存的作用
- 减少网络请求：网络请求通常是Web应用中最耗时的操作之一。例如，当一个页面需要加载多个图片、脚本或样式文件时，如果每次都从服务器获取，会显著增加页面的加载时间。通过缓存，浏览器可以直接从本地缓存中获取这些资源，从而大大减少了网络请求的次数和时间。
- 提升响应速度：对于经常访问的数据，如用户的个人信息、常用配置等，缓存可以让应用在瞬间获取到这些数据，而不需要等待服务器的响应。这极大地提升了用户体验，使得应用的响应更加迅速和流畅。
- 降低服务器负载：如果大量用户频繁请求相同的数据，服务器需要不断处理这些请求并返回数据，这会消耗大量的服务器资源。缓存可以分担服务器的压力，因为部分请求可以直接从客户端缓存中得到满足，减少了服务器处理请求的负担。
1.2 缓存的类型
- 浏览器缓存：浏览器自身具有一套缓存机制，用于存储网页资源，如HTML、CSS、JavaScript文件、图片等。浏览器会根据资源的缓存策略（如Cache - Control、Expires等HTTP头信息）来决定是否从缓存中获取资源。例如，当一个JavaScript文件设置了较长的缓存过期时间，浏览器在下次请求该文件时，如果缓存未过期，就会直接从本地缓存中加载，而不会向服务器发送请求。
- 内存缓存：在JavaScript应用程序内部，也可以使用内存缓存来存储数据。这通常通过在内存中创建对象或数据结构来实现。例如，在一个单页应用（SPA）中，可以将一些频繁使用的数据（如用户登录状态、当前用户的个性化设置等）存储在内存缓存中，以便在应用的不同模块之间快速共享和访问。
- 本地存储缓存：包括localStorage和sessionStorage。localStorage用于持久化存储数据，数据会一直保存在客户端，除非手动删除。sessionStorage则在会话期间有效，当浏览器窗口关闭时，存储的数据会被清除。这两种存储方式可以用来缓存一些需要长期保存或者在页面刷新时仍然有效的数据，如用户的登录凭证、购物车信息等。
二、浏览器缓存策略
2.1 缓存相关的HTTP头
- Cache - Control：这是一个重要的HTTP头，用于控制缓存行为。它有多个指令，常见的如下：
- public：表明响应可以被任何中间缓存（如代理服务器）缓存。例如，一个静态资源的响应头设置了
Cache - Control: public, max - age = 3600，表示该资源可以被公共缓存，并且在1小时（3600秒）内缓存有效。 - private：表示响应只能被用户的浏览器缓存，不能被中间代理服务器缓存。这通常用于包含用户特定信息的响应，如用户的个人资料页面。
- max - age：指定资源在缓存中的最大生存时间（以秒为单位）。例如
Cache - Control: max - age = 86400表示资源可以在缓存中保存一天（86400秒）。 - no - cache：虽然名字中有“no - cache”，但实际上它不是禁止缓存，而是要求在使用缓存数据之前，必须先与服务器进行验证，看缓存数据是否仍然有效。
- no - store：真正禁止缓存，请求和响应都不会被缓存，每次都必须从服务器获取最新数据。
- public：表明响应可以被任何中间缓存（如代理服务器）缓存。例如，一个静态资源的响应头设置了
- Expires：这是一个较老的HTTP头，用于指定资源的过期时间。它的值是一个绝对的日期和时间。例如
Expires: Thu, 01 Dec 2022 16:00:00 GMT，表示资源在2022年12月1日16点过期。与Cache - Control中的max - age不同，Expires依赖于服务器和客户端的时钟同步，如果时钟不同步，可能会导致缓存策略出现偏差。
2.2 强缓存和协商缓存
- 强缓存：当浏览器请求一个资源时，首先会检查强缓存。如果缓存有效，浏览器直接从本地缓存中加载资源，不会向服务器发送请求。强缓存主要由
Cache - Control中的max - age和Expires头控制。例如，以下是一个简单的HTML页面加载外部JavaScript文件的示例：
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF - 8">
<title>缓存示例</title>
</head>
<body>
<script src="main.js"></script>
</body>
</html>
假设main.js的响应头设置了Cache - Control: max - age = 3600，那么在这1小时内，浏览器再次请求main.js时，会直接从本地缓存加载，而不会向服务器发送请求。
2. 协商缓存：如果强缓存失效，浏览器会发起一个条件请求到服务器，询问服务器缓存的资源是否仍然有效。协商缓存主要由Last - Modified和ETag这两个HTTP头来控制。
- Last - Modified：服务器在响应头中设置
Last - Modified，表示资源的最后修改时间。例如Last - Modified: Thu, 01 Dec 2022 10:00:00 GMT。下次浏览器请求该资源时，会在请求头中带上If - Modified - Since，其值就是上次响应头中的Last - Modified的值。服务器接收到请求后，会比较资源的实际最后修改时间和If - Modified - Since的值，如果资源没有变化，服务器返回304 Not Modified状态码，浏览器则从本地缓存中加载资源；如果资源有变化，服务器返回最新的资源和200 OK状态码。 - ETag：是资源的唯一标识符，由服务器生成。例如
ETag: "5f9a1234567890abcdef"。浏览器下次请求时，会在请求头中带上If - None - Match，其值就是上次响应头中的ETag值。服务器比较资源的当前ETag和If - None - Match的值，如果相同，返回304 Not Modified，浏览器从本地缓存加载；如果不同，返回最新资源和200 OK。
三、JavaScript中的内存缓存
3.1 使用对象进行内存缓存
在JavaScript中，最简单的内存缓存方式就是使用普通对象。例如，假设我们有一个函数用于获取用户信息，并且这个信息不经常变化，我们可以将其缓存起来：
const userInfoCache = {};
function getUserInfo() {
if (userInfoCache.data) {
return userInfoCache.data;
}
// 这里模拟从服务器获取用户信息的操作
const userInfo = { name: 'John Doe', age: 30 };
userInfoCache.data = userInfo;
return userInfo;
}
在上述代码中，userInfoCache对象用于缓存用户信息。当getUserInfo函数第一次被调用时，它会模拟从服务器获取用户信息，并将其存储在userInfoCache.data中。后续调用该函数时，它会首先检查userInfoCache.data是否存在，如果存在则直接返回缓存的数据，从而避免了重复的“服务器请求”。
3.2 函数缓存（Memoization）
函数缓存，也称为Memoization，是一种特殊的内存缓存技术，用于缓存函数的返回值。当一个函数接受相同的参数时，直接返回缓存的结果，而不需要再次执行函数。例如，计算斐波那契数列的函数可以通过函数缓存来提高性能：
const fibonacciCache = {};
function fibonacci(n) {
if (fibonacciCache[n]) {
return fibonacciCache[n];
}
if (n <= 1) {
return n;
}
const result = fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
fibonacciCache[n] = result;
return result;
}
在这个例子中，fibonacciCache对象用于缓存已经计算过的斐波那契数。当fibonacci函数被调用时，它首先检查fibonacciCache[n]是否存在，如果存在则直接返回缓存的值。否则，它计算斐波那契数，将结果缓存起来，然后返回。
3.3 闭包与缓存
闭包可以用于创建私有缓存空间。例如，我们可以创建一个模块，其中的函数可以访问和修改一个私有的缓存对象：
const cacheModule = (function () {
const privateCache = {};
function getValue(key) {
return privateCache[key];
}
function setValue(key, value) {
privateCache[key] = value;
}
return {
get: getValue,
set: setValue
};
})();
// 使用缓存模块
cacheModule.set('username', 'admin');
console.log(cacheModule.get('username'));
在上述代码中，privateCache是一个私有缓存对象，只能通过cacheModule暴露的get和set方法来访问和修改。这种方式可以确保缓存的安全性和封装性。
四、本地存储缓存（localStorage和sessionStorage）
4.1 localStorage的使用
localStorage用于持久化存储数据，数据会一直保存在客户端，直到手动删除。以下是一些常见的操作示例：
- 存储数据：
// 存储一个字符串
localStorage.setItem('username', 'admin');
// 存储一个对象，需要先将其转换为JSON字符串
const user = { name: 'John Doe', age: 30 };
localStorage.setItem('user', JSON.stringify(user));
- 获取数据：
const username = localStorage.getItem('username');
console.log(username);
const user = JSON.parse(localStorage.getItem('user'));
console.log(user);
- 删除数据：
localStorage.removeItem('username');
// 清空所有localStorage数据
localStorage.clear();
4.2 sessionStorage的使用
sessionStorage在会话期间有效，当浏览器窗口关闭时，存储的数据会被清除。其操作方法与localStorage类似：
- 存储数据：
sessionStorage.setItem('currentPage', 'home');
- 获取数据：
const currentPage = sessionStorage.getItem('currentPage');
console.log(currentPage);
- 删除数据：
sessionStorage.removeItem('currentPage');
// 关闭窗口时，sessionStorage数据自动清除，也可以手动清空
sessionStorage.clear();
4.3 在Web应用中合理使用本地存储缓存
- 用户设置：可以将用户的个性化设置（如主题、语言偏好等）存储在localStorage中。这样，用户下次访问应用时，应用可以直接从localStorage中读取设置，而不需要用户再次设置。
- 购物车信息：对于电商应用，购物车信息可以存储在sessionStorage中。在用户浏览商品的过程中，购物车信息会一直保存在本地，直到用户关闭浏览器窗口或者完成订单。如果使用localStorage，购物车信息会一直保留，即使订单已经完成，可能会造成数据混乱。
- 页面状态：对于单页应用（SPA），可以将当前页面的状态（如展开的菜单、滚动位置等）存储在sessionStorage中。这样，当用户刷新页面时，应用可以恢复到之前的状态，提供更好的用户体验。
五、缓存更新与失效策略
5.1 缓存更新策略
- 写后更新：当数据发生变化时，首先更新数据源（如服务器端的数据库），然后立即更新缓存。例如，在一个用户管理系统中，当用户修改了自己的密码，服务器在更新数据库中的密码后，同时需要更新缓存中的用户信息，以确保下次获取用户信息时是最新的。
// 假设这里是更新用户密码的函数
function updateUserPassword(newPassword) {
// 模拟更新服务器数据库
// 这里省略实际的服务器请求代码
// 更新缓存
const userCache = {};
userCache.password = newPassword;
}
- 写前更新：在更新数据源之前，先更新缓存。这种策略可以减少数据不一致的时间窗口，但如果数据源更新失败，可能会导致缓存数据与数据源不一致。例如，在一个文件上传系统中，在文件实际上传到服务器之前，先更新本地缓存中文件的状态为“上传中”。
- 读写时更新：在读取缓存数据时，如果发现数据已经过期或者可能不一致，先更新缓存，然后再返回数据。例如，在一个新闻应用中，每次获取新闻列表时，检查缓存中的新闻列表是否超过一定时间，如果超过，则重新从服务器获取最新的新闻列表并更新缓存。
const newsCache = {};
function getNewsList() {
const now = new Date().getTime();
if (!newsCache.data || now - newsCache.timestamp > 3600000) {
// 模拟从服务器获取新闻列表
const newNewsList = [/* 新闻数据 */];
newsCache.data = newNewsList;
newsCache.timestamp = now;
}
return newsCache.data;
}
5.2 缓存失效策略
- 基于时间的失效：设置缓存数据的过期时间，这是最常见的失效策略。如前面提到的
Cache - Control中的max - age就是基于时间的缓存失效设置。在JavaScript内存缓存中，也可以自己实现类似的机制：
const cacheWithExpiry = {};
function setValueWithExpiry(key, value, duration) {
const now = new Date().getTime();
cacheWithExpiry[key] = {
value,
expiry: now + duration
};
}
function getValueWithExpiry(key) {
const entry = cacheWithExpiry[key];
if (!entry) {
return null;
}
const now = new Date().getTime();
if (now > entry.expiry) {
delete cacheWithExpiry[key];
return null;
}
return entry.value;
}
- 基于事件的失效：当某些特定事件发生时，使缓存失效。例如，在一个多用户协作的文档编辑应用中，当一个用户保存了文档，会触发一个事件通知其他用户，其他用户的文档缓存需要失效，以便获取最新的文档内容。
- 手动失效：提供手动清除缓存的接口。在开发和调试过程中，手动失效缓存非常有用。例如，在一个Web应用的管理后台中，可以提供一个“清除缓存”的按钮，管理员可以手动清除应用的各种缓存，以确保应用使用最新的数据。
六、缓存策略的应用场景
6.1 单页应用（SPA）中的缓存
在单页应用中，由于页面的部分内容不会随着页面切换而重新加载，缓存策略尤为重要。例如，在一个SPA的用户资料页面，用户的基本信息（如姓名、头像等）可以缓存在内存中。当用户在不同页面之间切换后再次回到用户资料页面时，直接从内存缓存中加载用户信息，而不需要再次向服务器请求。
// 在SPA的用户资料模块
const userProfileCache = {};
function getUserProfile() {
if (userProfileCache.data) {
return userProfileCache.data;
}
// 模拟从服务器获取用户资料
const userProfile = { name: 'Jane Smith', avatar: 'avatar.jpg' };
userProfileCache.data = userProfile;
return userProfile;
}
6.2 电商应用中的缓存
- 商品列表缓存：电商应用的商品列表页面通常包含大量商品信息。为了提高页面加载速度，可以将商品列表缓存起来。例如，可以使用浏览器缓存，设置合适的
Cache - Control头，使得商品列表在一定时间内（如1小时）被缓存。同时，在JavaScript中也可以使用内存缓存，当用户在应用内多次访问商品列表页面时，直接从内存缓存中获取数据。 - 购物车缓存：购物车信息可以存储在sessionStorage中，在用户浏览商品的过程中，购物车信息实时保存在本地。当用户进行结算时，将购物车信息发送到服务器进行处理。如果购物车信息发生变化（如添加或删除商品），及时更新sessionStorage中的缓存数据。
6.3 内容管理系统（CMS）中的缓存
- 文章缓存：在CMS中，文章内容通常不会频繁变化。可以将文章内容缓存起来，使用浏览器缓存和内存缓存相结合的方式。对于热门文章，可以设置较长的浏览器缓存时间，同时在服务器端的JavaScript应用中，将文章内容缓存在内存中，以提高文章的加载速度。
- 用户评论缓存：用户评论也可以进行缓存。例如，在用户发表评论后，先将评论缓存在内存中，并显示给用户，同时将评论发送到服务器进行持久化存储。当其他用户查看评论时，先从内存缓存中获取评论列表，提高响应速度。
七、缓存策略的性能优化与权衡
7.1 缓存带来的性能提升
- 加载速度提升：通过减少网络请求和快速从本地缓存获取数据，页面和应用的加载速度得到显著提升。例如，一个包含多个静态资源（如JavaScript、CSS文件和图片）的网页，如果这些资源都能有效缓存，页面的首次加载时间可能从原来的10秒缩短到2 - 3秒。
- 资源利用率提高：缓存减少了服务器处理重复请求的负担，使得服务器可以将资源分配到更需要的地方。同时，客户端也节省了网络带宽，对于移动设备用户或者网络带宽有限的用户来说，这尤为重要。
7.2 缓存的权衡
- 数据一致性：缓存可能会导致数据不一致的问题。例如，当服务器端的数据发生变化时，如果缓存没有及时更新，用户可能会获取到旧的数据。在设计缓存策略时，需要在缓存带来的性能提升和数据一致性之间进行权衡。可以采用合适的缓存更新和失效策略来尽量减少数据不一致的情况。
- 缓存空间占用：无论是浏览器缓存、内存缓存还是本地存储缓存，都需要占用一定的空间。如果缓存的数据量过大，可能会导致浏览器性能下降（对于浏览器缓存）或者应用占用过多内存（对于内存缓存）。因此，需要合理设置缓存的大小和过期时间，避免缓存空间的过度占用。
- 缓存复杂度：实现复杂的缓存策略（如多级缓存、分布式缓存等）可能会增加代码的复杂度。在开发过程中，需要仔细考虑缓存的设计和实现，确保代码的可维护性和扩展性。同时，复杂的缓存策略也可能带来更多的潜在问题，如缓存穿透、缓存雪崩等，需要开发者有足够的技术能力来应对。
在JavaScript Web编程中，合理选择和应用缓存策略是提升应用性能的关键。通过深入理解不同类型的缓存、缓存策略以及它们的应用场景和权衡，可以开发出高效、流畅且数据一致性较好的Web应用。