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網(wǎng)頁(yè)性能： 緩存效率實(shí)踐

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摘要：上圖顯示了桌面瀏覽器一周內(nèi)的緩存命中率。和早期版本用當(dāng)前方法測(cè)試的緩存命中率為，過(guò)版本及以上卻大大的下降。實(shí)際應(yīng)用總的來(lái)看緩存命中率相比年有所提高。如果忽略及以上版本無(wú)法測(cè)試，這樣緩存命中率由年的左右提高到現(xiàn)在的。

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Ryan Albrecht
caisijie 翻譯于2015/12/21

任何網(wǎng)站都會(huì)考慮性能，不管是當(dāng)?shù)氐睦戆l(fā)店或者有巨大知識(shí)庫(kù)的維基百科。這是一個(gè)無(wú)法被忽略的需求。因此緩存變得尤其重要 —— 一種讓網(wǎng)站變快的極佳途徑，通過(guò)保存部分?jǐn)?shù)據(jù)，使得下次訪問(wèn)時(shí)不用再次計(jì)算或者下載。

我們團(tuán)隊(duì)最近在討論Facebook.com沒(méi)有被緩存的的部分網(wǎng)頁(yè)，問(wèn)題就來(lái)了：Facebook每?jī)商彀l(fā)布一次代碼，緩存的效率有多高？我們是否發(fā)布代碼太頻繁導(dǎo)致瀏覽器的緩存沒(méi)有充分利用？為了找到答案，我們?cè)赮ahoo"s Performance Research blog?發(fā)現(xiàn)一篇研究關(guān)于瀏覽器緩存對(duì)網(wǎng)頁(yè)性能的影響的文章。

我們從中驚訝的發(fā)現(xiàn)一個(gè)悲觀的結(jié)論：有20%的頁(yè)面訪問(wèn)沒(méi)有經(jīng)過(guò)緩存。但是這份研究至今已超過(guò)8年，那時(shí)候?yàn)g覽器還無(wú)法顯示如頂部截圖那樣的瀑布式流量圖，那時(shí)候IE7和jQuery才發(fā)布了幾個(gè)月。我想忘記這份研究吧，jQuery 1.0 —— 老掉牙了。為了得到更精確的結(jié)果，我們決定重新測(cè)試看看事情是否有所改觀。

重開(kāi)課題

在原來(lái)的研究中，Yahoo構(gòu)造的一種帶特殊頭的圖片。這些頭會(huì)告訴瀏覽器如果同樣的圖片被請(qǐng)求兩次，不會(huì)進(jìn)行正常的請(qǐng)求，而是根據(jù)圖片是否變動(dòng)這個(gè)條件發(fā)送GET請(qǐng)求。這種GET請(qǐng)求會(huì)把最后修改時(shí)間的頭傳給服務(wù)器，如果請(qǐng)求時(shí)間和圖片最后修改時(shí)間間隔太小，則返回304沒(méi)有修改而是不是200成功。Yahoo最后查看服務(wù)器日志進(jìn)行分析。

與之類似，我們構(gòu)建了一個(gè)PHP終端來(lái)提供圖片以及向數(shù)據(jù)庫(kù)記錄請(qǐng)求。圖片附帶特殊的頭來(lái)控制瀏覽器的緩存和中間件的緩存，而且我們會(huì)在請(qǐng)求同時(shí)記錄所有頭的信息。而響應(yīng)頭如下：

Cache-Control: no-cache, private, max-age=0
ETag: abcde
Expires: Thu, 15 Apr 2014 20:00:00 GMT
Pragma: private
Last-Modified: $now // RFC1123 format

在IE7和IE8下，為了繞過(guò)一些已知問(wèn)題，需要特殊修改：

Cache-Control: private, max-age=0
Pragma: no-cache

當(dāng)瀏覽器請(qǐng)求圖片時(shí)，會(huì)沒(méi)有附帶或者附帶一到兩個(gè)額外頭部：

沒(méi)有額外頭部，因?yàn)闉g覽器并不認(rèn)識(shí)這個(gè)圖片。我們返回Status: 200 Success 以及?image data ，然后瀏覽器會(huì)緩存這些內(nèi)容。并生成Last-Modified?時(shí)間和?ETag值會(huì)已備下次使用。

if-none-match?和?if-modified-since?頭的一個(gè)或兩個(gè)，它說(shuō)明瀏覽器之前獲取過(guò)圖片。服務(wù)器會(huì)返回Status: 304 Not Modified并且不包含圖片數(shù)據(jù)。我們還把Last-Modified頭設(shè)置為$header["if-modified-since"]而不是$now，這樣瀏覽器每次就能獲得相同的響應(yīng)內(nèi)容。

最后的問(wèn)題就是什么時(shí)候和在哪里發(fā)送圖片請(qǐng)求。我們決定在Facebook搜索條旁邊包含一個(gè)img標(biāo)簽，這樣Facebook每次重載的時(shí)候就會(huì)渲染。在一個(gè)整個(gè)頁(yè)面的重載中，內(nèi)存資源會(huì)被卸載，然后瀏覽器根據(jù)緩存頭重新請(qǐng)求CSS，JavaScript和我們的圖片。所以這是測(cè)量緩存是否工作的最佳位置。

在準(zhǔn)備好終端去記錄請(qǐng)求日志和讓img標(biāo)簽去發(fā)送請(qǐng)求之后，我們馬上開(kāi)始...

研究結(jié)果

經(jīng)過(guò)幾周的數(shù)據(jù)收集和填滿緩存，對(duì)比最后超過(guò)7天的數(shù)據(jù)。初次結(jié)果同樣出乎意料：25.5%的請(qǐng)求沒(méi)有命中緩存。我們把數(shù)據(jù)按接口分類，桌面和移動(dòng)設(shè)備，但是結(jié)果相似：桌面版24.8%以及移動(dòng)版的26.9%請(qǐng)求沒(méi)有命中緩存。這不是期望的結(jié)果，所以我們繼續(xù)深入調(diào)試。

把桌面數(shù)據(jù)按瀏覽器劃分后變得一目了然。

上圖顯示了桌面瀏覽器一周內(nèi)的緩存命中率。使用Chrome和Opera顯然從瀏覽器緩存受益更多。你可能注意到Fireforx并沒(méi)有出現(xiàn)在表中，這是有原因的。Firefox v31和早期版本用當(dāng)前方法測(cè)試的緩存命中率為80%，過(guò)v32版本及以上卻大大的下降。v32 版本說(shuō)明解釋了緩存后臺(tái)會(huì)?記錄并重用最近的響應(yīng)頭。如果重用響應(yīng)，我們的終端就沒(méi)法收到請(qǐng)求并記錄日志。這樣測(cè)試會(huì)錯(cuò)誤的認(rèn)為Firefox表現(xiàn)糟糕。但實(shí)際上仍在命中本地緩存;只是無(wú)法統(tǒng)計(jì)信息。考慮到這點(diǎn)，我們把Firefox排除在測(cè)試結(jié)果之外。

讓我們看看移動(dòng)端的情況

不同產(chǎn)品的緩存命中在68%和84%之間浮動(dòng)，和之前的線差不多。移動(dòng)端的變動(dòng)性更多，因?yàn)樵S多不同 ?year class 的設(shè)備在訪問(wèn)移動(dòng)網(wǎng)頁(yè)，而且每一個(gè)瀏覽器版本都有一個(gè)可能的范圍。這些數(shù)字普遍比桌面版的低但是排序基本一致。

我們還可以看看不同用戶命中空緩存的比例

平均44.6%的用戶獲取了空緩存。這佐證了Yahoo在2007年關(guān)于每個(gè)用戶命中率的結(jié)果。

更進(jìn)一步

還沒(méi)有完呢。在Facebook，我們希望小步快走的每天兩次地發(fā)布包含當(dāng)天完成的所有優(yōu)秀功能。這就引出一個(gè)問(wèn)題：瀏覽器緩存生命周期是多少？我們可以通過(guò)把請(qǐng)求頭if-modified-since的值減去當(dāng)前時(shí)間值，這樣就可以得到這個(gè)用戶命中緩存的存活時(shí)間。

所以我們發(fā)掘數(shù)據(jù)。仍然是最近一周的數(shù)據(jù)，我們生成描述緩存持續(xù)命中（請(qǐng)求返回304）時(shí)間分布的柱狀圖。換一種說(shuō)法，每次重新獲取圖片的間隔有多長(zhǎng)。

橫軸 duration 單位是小時(shí)，豎線 p50_（百分之50）, _mean_（平均）和 _p75（百分之75）分別表示對(duì)應(yīng)請(qǐng)求比例的緩存時(shí)間。比如，_p50 表示50%的請(qǐng)求在命中最多47小時(shí)之前生成的緩存，類似的 p75 表明25%的請(qǐng)求的緩存存在的時(shí)間至少有260個(gè)小時(shí)。在移動(dòng)端做同樣的分析顯示有50%的請(qǐng)求的緩存不會(huì)超過(guò)12個(gè)小時(shí)。

實(shí)際應(yīng)用

總的來(lái)看緩存命中率相比2007年有所提高。如果忽略Firefox v32及以上版本（無(wú)法測(cè)試），這樣緩存命中率由2007年的80%左右提高到現(xiàn)在的84.1%。另一方面，緩存保持活躍的時(shí)間并不是很長(zhǎng)。根據(jù)我們的研究，在桌面版，有42%概率任何請(qǐng)求的緩存的存在時(shí)間不超過(guò)47小時(shí)。這是一個(gè)新的維度，而且在某些網(wǎng)站影響突出。

很容易解釋為什么緩存存在時(shí)間通常很短。看看因特網(wǎng)如何傳輸和網(wǎng)頁(yè)大小size從2007年至今的變化。在2007年，家庭有線帶寬是2.5Mbps，Yahoo主頁(yè)168.1KB。如今，我有8Mbps的LTE移動(dòng)下載帶寬，Yahoo主頁(yè)是768KB。現(xiàn)在網(wǎng)頁(yè)平均大小是1MB，對(duì)瀏覽器優(yōu)化造成了更大的壓力。

因此利用好瀏覽器緩存仍然重要，如果用好帶來(lái)的收益也會(huì)比8年前更大。我們的最佳實(shí)踐是使用外部樣式和腳本，包含Cache-Control和Etag頭，傳輸層數(shù)據(jù)壓縮，使用URL使緩存資源失效，把平凡更新的資源和穩(wěn)定資源分開(kāi)。所有這些技術(shù)都能在任何網(wǎng)站協(xié)同工作，而不單單是Facebook。我們一開(kāi)始擔(dān)心自己的發(fā)布流程會(huì)給緩存性能帶來(lái)負(fù)面影響，但結(jié)果并不是這樣。實(shí)際上，我們使用這份數(shù)據(jù)專注于改進(jìn)讓所有人訪問(wèn)www.facebook.com都能通過(guò)緩存。真是有意思的一次緩存挖掘之旅。

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