緩存設(shè)計(jì)詳解：低成本的高性能Web應(yīng)用解決方案
譯文【51CTO精選譯文】過去幾年中，Web應(yīng)用程序已經(jīng)從簡單的HTML頁面堆積演變成使用各種各樣的技術(shù)構(gòu)建高可擴(kuò)展性和交互式的富應(yīng)用程序。設(shè)計(jì)和開發(fā)這類應(yīng)用程序變得越來越復(fù)雜，此外，決策者正越來越多地尋求構(gòu)建更豐富的互動功能到這些應(yīng)用程序中，同時(shí)還要保證可維護(hù)性和高性能，但高性能意味著高成本。為了構(gòu)建提供給最終用戶體驗(yàn)的是一個(gè)牢固的應(yīng)用程序，開發(fā)人員需要解決潛在的性能瓶頸。
本文側(cè)重于緩存——它是交付高性能Web應(yīng)用程序急需的——也簡要介紹一下壓縮功能。有一些公司在生產(chǎn)和銷售專門的壓縮和性能產(chǎn)品。本文旨在簡單介紹在尋求專業(yè)產(chǎn)品解決性能問題之前開發(fā)人員可以在客戶端和服務(wù)器端對Web應(yīng)用程序做的一些性能改進(jìn)。
性能瓶頸
性能瓶頸主要體現(xiàn)在高延時(shí)、擁塞和服務(wù)器負(fù)載。緩存不能完全解決掉這三個(gè)問題，但經(jīng)過詳細(xì)的設(shè)計(jì)考慮，緩存是可以提高性能的。在服務(wù)器端和客戶端都緩存內(nèi)容，據(jù)調(diào)查，平均而言，下載HTML只需要總的用戶響應(yīng)時(shí)間的10-20%，剩下的80-90%全部用于下載頁面中的其它組成內(nèi)容，這些組成內(nèi)容通常包括圖像，如公司logo，緩存logo可以有效避免到服務(wù)器的多次往返。在前日51CTO上發(fā)布的加速，加速，再加速：來自Google的網(wǎng)站加速技巧大全中，Google提到的提升網(wǎng)站速度和性能的低成本技巧中就包括緩存這一條。至于架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，則可參考51CTO的視頻專題：大型網(wǎng)站架構(gòu)專家談。
簡單地講，緩存是臨時(shí)存儲。它將數(shù)據(jù)復(fù)制到不同的計(jì)算機(jī)或不同于原始數(shù)據(jù)源的位置，有了正確的配置，訪問緩存數(shù)據(jù)的速度比訪問原始數(shù)據(jù)的速度要快得多，使用緩存數(shù)據(jù)可以減小服務(wù)器負(fù)載和帶寬消耗，從最終用戶的角度來看就是性能提高了。
圖1顯示了Internet如何工作的快速總攬，以及緩存在哪里發(fā)生作用。
圖 1 Internet上的緩存：這個(gè)圖顯示了常見的請求和檢索緩存信息的時(shí)機(jī)
緩存
正如你在圖1中所看到的，在服務(wù)器和客戶端上緩存數(shù)據(jù)既是可能的也是有效的，圖2顯示了這三個(gè)緩存位置的不同視圖。
圖 2 緩存配置：此圖顯示了三個(gè)典型的緩存位置
1、客戶端瀏覽器緩存：瀏覽器緩存Web對象后，可以對重復(fù)的請求直接響應(yīng)，不用再從Internet請求數(shù)據(jù)了。
2、服務(wù)器端轉(zhuǎn)發(fā)代理緩存：雖然可能有些變化，但這些緩存位置通常是在最終用戶防火墻里面，可以對請求直接響應(yīng)，不需要從原始來源請求數(shù)據(jù)。
3、服務(wù)器端反向代理緩存：也被稱為網(wǎng)關(guān)或代理緩存，這些緩存服務(wù)器的操作代表了客戶的來源服務(wù)器，術(shù)語“內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）”就是這些反向代理緩存的集合。
你可以緩存任何可能不止一次被請求的對象，但總有一個(gè)危險(xiǎn)就是緩存的對象很可能變得陳舊，也就是說，沒有準(zhǔn)確地反應(yīng)原始數(shù)據(jù)。不過可以使用兩個(gè)參數(shù)來控制所有可緩存的對象：freshness和validation。freshness和validation都可以使用HTTP請求和相應(yīng)組合來進(jìn)行確定。
◆Freshness確定某個(gè)對象是否可以從緩存中獲得，使用expires和cache-control:max-age頭進(jìn)行控制。
◆Validation確定某個(gè)對象是否已經(jīng)陳舊，使用last-modified和if-modified-since頭進(jìn)行控制。
設(shè)計(jì)高度緩存的Web應(yīng)用程序
企業(yè)級Web應(yīng)用程序既有靜態(tài)部分又有動態(tài)部分，只要進(jìn)行了正確的設(shè)計(jì)和架構(gòu)，都能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)部分從緩存中獲取，動態(tài)部分從原始服務(wù)器獲取，但第一步是確定要緩存什么，圖3提供了一個(gè)指南，可以幫助你確定哪些對象是可緩存，哪些對象是動態(tài)的（不可緩存的）。
圖 3 確定緩存能力：此圖提供了某個(gè)對象是否應(yīng)該緩存的指南
應(yīng)用程序架構(gòu)在可緩存對象和不可緩存對象之間有一點(diǎn)差異，開發(fā)人員應(yīng)該尋求最大限度的緩存命中率，同時(shí)要避免緩存動態(tài)對象。下面是一些最佳實(shí)踐：
1、使用緩存控制（cache-control:max-age）和有效期（Expires）頭
2、使用最后修改時(shí)間（last-modified）頭
3、檢查Web服務(wù)器是否支持If-Modified-Since
4、調(diào)查為小型站點(diǎn)使用轉(zhuǎn)向代理的可行性，或?yàn)榇笮推髽I(yè)網(wǎng)站從CDN廠家獲得專業(yè)人員的幫助
5、根據(jù)網(wǎng)站的可擴(kuò)展性思考是使用數(shù)據(jù)中心還是托管
6、自己動手編碼常常需要大量的時(shí)間和精力，根據(jù)站點(diǎn)的規(guī)模，可以考慮采用開源緩存方法，如使用Squid作為代理服務(wù)器
7、為文件下載明確使用混合緩存機(jī)制
8、確保那些無用戶/輸入依賴的動態(tài)事務(wù)可以獲得緩存，為不同對象創(chuàng)建緩存映像可以幫助將可緩存對象和不可緩存對象隔離開來
9、小心完全忽略緩存頭的內(nèi)容管理系統(tǒng)（CMS）
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為緩存使用頭(Header)
本節(jié)覆蓋了為緩存目的最有用的頭。
控制緩存
在HTTP 1.1規(guī)范中，服務(wù)器應(yīng)該為緩存控制頭發(fā)送一個(gè)無緩存響應(yīng)，以指出內(nèi)容不應(yīng)該被緩存，客戶端和服務(wù)器端都應(yīng)該遵守這個(gè)頭信息，以防止頭中已經(jīng)聲明了的動態(tài)內(nèi)容，大多數(shù)開發(fā)語言都支持使用這個(gè)頭信息控制響應(yīng)頭值。
另一方面，你可以為cache-control頭返回一個(gè)public服務(wù)器端應(yīng)答來允許緩存（即使沒有cache-control頭也可以指出對象是可以緩存的），cache-control頭的值為private是一個(gè)特殊情況，表示瀏覽器可能會在本地緩存對象，但代理服務(wù)器不會緩存它。
圖4中的請求——響應(yīng)工作流顯示了Google如何通過cache-control頭通知代理服務(wù)器不要緩存的。
圖 4 停止代理服務(wù)器緩存：請求--應(yīng)答流顯示服務(wù)器返回private阻止代理服務(wù)器緩存
最后，服務(wù)器使用expires應(yīng)答時(shí)包括了一個(gè)表示有效期的日期/時(shí)間戳，直到有效期滿之前瀏覽器都可以緩存中的對象。如圖5所示。
圖 5 過期內(nèi)容：Google的Gmail服務(wù)器返回一個(gè)expires頭，包括緩存頁面的過期日期和時(shí)間
這一點(diǎn)你可以驗(yàn)證，Gmail允許瀏覽器緩存Gmail主頁，直到expires頭中明確指定的時(shí)間到了為止。
使用Last-Modified 頭
瀏覽器使用這個(gè)頭信息來確定緩存對象生存期的有效性，瀏覽器請求這個(gè)對象時(shí)，服務(wù)器使用一個(gè)包含該對象最后修改時(shí)間的時(shí)間戳的Last-Modified 頭進(jìn)行響應(yīng)，當(dāng)用戶下次請求相同的對象時(shí)，如果當(dāng)前的時(shí)間戳超出了對象的使用期限，或者用戶是通過刷新方式請求該頁面的，瀏覽器會向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)if_modified_since請求確定對象是否發(fā)生了變化，如果對象的確發(fā)生了變化，瀏覽器就發(fā)送一個(gè)完整的GET請求以獲取新的對象并將其再次緩存起來，否則，瀏覽器就從它的緩存中提取對象，并更新對象的last-modified值。圖6顯示了一個(gè)工作實(shí)例。
圖 6 最后修改時(shí)間：last-modified時(shí)間戳讓瀏覽器確定是使用本地緩存內(nèi)容還是重新請求內(nèi)容
舉一個(gè)例子，假設(shè)瀏覽器在請求www.yahoo.com時(shí)，服務(wù)器使用last-modified時(shí)間戳進(jìn)行響應(yīng)，和使用if-modified-since頭進(jìn)行響應(yīng)（參考圖7）時(shí)對比一下，看行為有何不同。
圖 7 檢查修改：通過發(fā)送if-modified-since頭，服務(wù)器將會使用一個(gè)表示自時(shí)間戳指定時(shí)間以來是否發(fā)生了變化的值進(jìn)行響應(yīng)
在圖7中，瀏覽器使用if-modified-since頭發(fā)送一個(gè)請求，服務(wù)器使用304代碼進(jìn)行響應(yīng)，表示瀏覽器可以使用緩存，不用發(fā)起一個(gè)完整的GET請求。
為了全面理解這些頭信息的效果，最好的辦法是你自己動手實(shí)驗(yàn)一翻，使用各種不同的頭信息組合，并觀察它們的行為，分析頭信息的一個(gè)好工具是Wfetch。
自己動手的方法
正如前面給出的建議，自己動手（DIY）的方法并不總是捷徑，專門提供CDN加速的產(chǎn)品和解決方案可以滿足不同類型的需求。但如果你要開發(fā)的是一個(gè)內(nèi)部使用的產(chǎn)品，可以提供幫助的可能只有Squid了，Squid被用作許多產(chǎn)品的一個(gè)組成部分，許多ISP也在使用它。例如，在Java應(yīng)用程序中，Squid可以被用作Tomcat服務(wù)器的代理，Squid提供的不僅僅是HTTP緩存，但關(guān)于它的完整介紹已經(jīng)超出了本文的范圍，請讀者自行搜索相關(guān)文章，可以在Wikimedia看到另一個(gè)使用Squid的例子。
HTTP壓縮
緩存僅僅是提高Web應(yīng)用程序性能的方法之一，壓縮是另一個(gè)關(guān)鍵方法，HTTP壓縮在內(nèi)容發(fā)送到客戶端之前將其壓縮，在客戶端和服務(wù)器端都有壓縮功能，當(dāng)服務(wù)器交付的是壓縮內(nèi)容時(shí)，由瀏覽器進(jìn)行解壓，這樣可以節(jié)約寶貴的帶寬，減少成本和提高響應(yīng)時(shí)間。
瀏覽器使用值為gzip的accept-encoding—typically頭宣稱它們支持壓縮，服務(wù)器使用content-encoding頭指定應(yīng)答數(shù)據(jù)的編碼，例如，如果使用的是gzip格式進(jìn)行壓縮，服務(wù)器應(yīng)該使用值為gzip的content-encoding 頭進(jìn)行響應(yīng)。
服務(wù)器檢查響應(yīng)的MIME類型，只壓縮那些通過壓縮可以獲得好處的類型，如文本文件、HTML和PDF文件，圖像格式如gif文件不會從壓縮技術(shù)獲得什么好處，因?yàn)間if本身已經(jīng)是壓縮格式了，視頻文件以及其它預(yù)壓縮的二進(jìn)制文件也不會從壓縮功能獲得好處。
注意：代理服務(wù)器應(yīng)該和來源服務(wù)器支持同類型的壓縮。
總體而言，結(jié)合緩存和壓縮功能可以提高Web應(yīng)用程序的性能，因此還提高了應(yīng)用程序的可擴(kuò)展性。
原文：A Guide to Caching and Compression for High Performance Web Applications
作者：Puneet Sangal
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