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為什么 HTTP 請求會返回 304？

作者： 阿寶哥
網絡 網絡管理
本文阿寶哥基于 Koa 的緩存示例，介紹了 HTTP 304 狀態碼和 fresh 模塊中的 fresh 函數是如何實現資源新鮮度檢測的。希望閱讀完本文后，你對 HTTP 和瀏覽器的緩存機制有更深入的理解。

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相信大多數 Web 開發者，對 HTTP 304 狀態碼都不會陌生。本文阿寶哥將基于 Koa 緩存的示例，為大家介紹 HTTP 304 狀態碼和 fresh 模塊中的 fresh 函數是如何實現資源新鮮度檢測的。如果你對瀏覽器的緩存機制還不了解的話，建議你先閱讀 深入理解瀏覽器的緩存機制 這篇文章。

一、304 狀態碼

在 HTTP 中的 ETag 是如何生成的? 這篇文章中，介紹了 ETag 是如何生成的。在 ETag 實戰環節，阿寶哥基于 koa、koa-conditional-get、koa-etag 和 koa-static 這些庫，演示了在實際項目中如何利用 ETag 響應頭和 If-None-Match 請求頭實現資源的緩存控制。

  1. // server.js 
  2. const Koa = require("koa"); 
  3. const path = require("path"); 
  4. const serve = require("koa-static"); 
  5. const etag = require("koa-etag"); 
  6. const conditional = require("koa-conditional-get"); 
  7.  
  8. const app = new Koa(); 
  9.  
  10. app.use(conditional()); // 使用條件請求中間件 
  11. app.use(etag()); // 使用etag中間件 
  12. app.use( // 使用靜態資源中間件 
  13.   serve(path.join(__dirname, "/public"), { 
  14.     maxage: 10 * 1000, // 設置緩存存儲的最大周期，單位為秒 
  15.   }); 
  16. ); 
  17.  
  18. app.listen(3000, () => { 
  19.   console.log("app starting at port 3000"); 
  20. }); 

在啟動完服務器之后，我們打開 Chrome 開發者工具并切換到 Network 標簽欄，然后在瀏覽器地址欄輸入 http://localhost:3000/ 地址，接著多次訪問該地址(地址欄多次回車)。

上圖是阿寶哥多次訪問的結果，在圖中我們可以看到 200 和 304 狀態碼。其中 304 狀態碼表示資源在由請求頭中的 If-Modified-Since 或 If-None-Match 參數指定的這一版本之后，未曾被修改。在這種情況下，由于客戶端仍然具有以前下載的副本，因此不需要重新傳輸資源。

下面我們以 index.js 資源為例，來近距離觀察一下 304 響應報文：

  1. HTTP/1.1 304 Not Modified 
  2. Last-Modified: Sat, 29 May 2021 02:24:53 GMT 
  3. Cache-Control: max-age=10 
  4. ETag: W/"29-179b5f04654" 
  5. Date: Sat, 29 May 2021 02:25:26 GMT 
  6. Connection: keep-alive 

對于以上的響應報文，在響應頭中包含了 Last-Modified、Cache-Control 和 ETag 這些與緩存相關的字段。如果你對這些字段的作用還不熟悉的話，可以閱讀 深入理解瀏覽器的緩存機制 和 HTTP 中的 ETag 是如何生成的? 這兩篇文章。接下來，阿寶哥將跟大家一起來探索一下為什么 10s 后，請求 index.js 資源會返回 304 ?

二、為何返回 304 狀態碼

在前面的示例中，我們通過使用 app.use 方法注冊了 3 個中間件：

  1. app.use(conditional()); // 使用條件請求中間件 
  2. app.use(etag()); // 使用etag中間件 
  3. app.use( // 使用靜態資源中間件 
  4.   serve(path.join(__dirname, "/public"), { 
  5.     maxage: 10 * 1000, // 設置緩存存儲的最大周期，單位為秒 
  6.   }) 
  7. ); 

首先注冊的是 koa-conditional-get 中間件，該中間件用于處理 HTTP 條件請求。在這類請求中，請求的結果，甚至請求成功的狀態，都會隨著驗證器與受影響資源的比較結果的變化而變化。HTTP 條件請求可以用來驗證緩存的有效性，省去不必要的控制手段。

其實 koa-conditional-get 中間件的實現很簡單，具體如下所示：

  1. // https://github.com/koajs/conditional-get/blob/master/index.js 
  2. module.exports = function conditional () { 
  3.   return async function (ctx, next) { 
  4.     await next() 
  5.     if (ctx.fresh) { 
  6.       ctx.status = 304 
  7.       ctx.body = null 
  8.     } 
  9.   } 
  10. } 

由以上代碼可知，當請求上下文對象的 fresh 屬性為 true 時，就會設置響應的狀態碼為 304。因此，接下來我們的重點就是分析 ctx.fresh 值的設置條件。

通過閱讀 koa/lib/context.js 文件的源碼，我們可知當訪問上下文對象的 fresh 屬性時，實際上是訪問 request 對象的 fresh 屬性。

  1. // 代理request對象 
  2. delegate(proto, 'request') 
  3.    // 省略其它代理 
  4.   .getter('fresh') 
  5.   .getter('ips') 
  6.   .getter('ip'); 

而 request 對象上的 fresh 屬性是通過 getter 方式來定義的，具體如下所示：

  1. // node_modules/koa/lib/request.js 
  2. module.exports = { 
  3.   // 省略部分代碼 
  4.   get fresh() { 
  5.     const method = this.method; // 獲取請求方法 
  6.     const s = this.ctx.status; // 獲取狀態碼 
  7.  
  8.     if ('GET' !== method && 'HEAD' !== method) return false; 
  9.  
  10.     // 2xx or 304 as per rfc2616 14.26 
  11.     if ((s >= 200 && s < 300) || 304 === s) { 
  12.       return fresh(this.header, this.response.header); 
  13.     } 
  14.     return false; 
  15.   }, 
  16. } 

method && 'HEAD' !== method) return false; // 2xx or 304 as per rfc2616 14.26 if ((s >= 200 && s < 300) || 304 === s) { return fresh(this.header, this.response.header); } return false; },}

在 fresh 方法中，僅當請求為 GET/HEAD 請求且狀態碼為 2xx 或 304 才會執行新鮮度檢測。而對應的新鮮度檢測邏輯被封裝在 fresh 模塊中，所以接下來我們來分析該模塊是如何檢測新鮮度?

三、如何檢測新鮮度

fresh 模塊對外提供了 fresh 函數，該函數支持 2 個參數：reqHeaders 和 resHeaders。在該函數內部，新鮮度檢測的邏輯可以分為以下 4 個部分：

3.1 判斷是否條件請求

  1. // https://github.com/jshttp/fresh/blob/master/index.js 
  2. function fresh (reqHeaders, resHeaders) { 
  3.   var modifiedSince = reqHeaders['if-modified-since']  
  4.   var noneMatch = reqHeaders['if-none-match'] 
  5.  
  6.   // 非條件請求 
  7.   if (!modifiedSince && !noneMatch) { 
  8.     return false 
  9.   } 
  10. } 

如果請求頭未包含 if-modified-since 和 if-none-match 字段，則直接返回 false。

3.2 判斷 cache-control 請求頭

  1. // https://github.com/jshttp/fresh/blob/master/index.js 
  2. var CACHE_CONTROL_NO_CACHE_REGEXP = /(?:^|,)\s*?no-cache\s*?(?:,|$)/ 
  3.  
  4. function fresh (reqHeaders, resHeaders) { 
  5.   var modifiedSince = reqHeaders['if-modified-since']  
  6.   var noneMatch = reqHeaders['if-none-match'] 
  7.    
  8.   // Always return stale when Cache-Control: no-cache 
  9.   // to support end-to-end reload requests 
  10.   // https://tools.ietf.org/html/rfc2616#section-14.9.4 
  11.   var cacheControl = reqHeaders['cache-control'] 
  12.   if (cacheControl && CACHE_CONTROL_NO_CACHE_REGEXP.test(cacheControl)) { 
  13.     return false 
  14.   } 
  15. } 

當 cache-control 請求頭的值為 no-cache 時，則返回 false，以支持端到端的重載請求。需要注意的是，no-cache 并不是表示不緩存，而是表示資源被緩存，但是立即失效，下次會發起請求驗證資源是否過期。 如果你不緩存任何響應，需要設置 cache-control 的值為 no-store。

3.3 檢測 ETag 是否匹配

  1. // https://github.com/jshttp/fresh/blob/master/index.js 
  2. function fresh (reqHeaders, resHeaders) { 
  3.   var modifiedSince = reqHeaders['if-modified-since']  
  4.   var noneMatch = reqHeaders['if-none-match'] 
  5.    
  6.   // 省略部分代碼 
  7.   if (noneMatch && noneMatch !== '*') { 
  8.     var etag = resHeaders['etag'] // 獲取響應頭中的etag字段的值 
  9.  
  10.     if (!etag) { // 響應頭未設置etag，則直接返回false 
  11.       return false 
  12.     } 
  13.  
  14.     var etagStale = true // stale：不新鮮 
  15.     var matches = parseTokenList(noneMatch) // 解析noneMatch 
  16.     for (var i = 0; i < matches.length; i++) { // 執行循環匹配操作 
  17.       var match = matches[i] 
  18.       if (match === etag || match === 'W/' + etag || 'W/' + match === etag) { 
  19.         etagStale = false 
  20.         break 
  21.       } 
  22.     } 
  23.  
  24.     if (etagStale) { 
  25.       return false 
  26.     } 
  27.   } 
  28.   return true 
  29. } 

在以上代碼中 parseTokenList 函數的作用，是為了處理 'if-none-match': ' "bar" , "foo"' 這種情形。在解析的過程中，會去掉多余的空格，并且還會拆分使用逗號分隔符做分隔的 etag 值。而執行循環匹配的目的，也是為了支持以下測試用例：

  1. // https://github.com/jshttp/fresh/blob/master/test/fresh.js     
  2. describe('when at least one matches', function () { 
  3.   it('should be fresh', function () { 
  4.     var reqHeaders = { 'if-none-match': ' "bar" , "foo"' } 
  5.     var resHeaders = { 'etag': '"foo"' } 
  6.     assert.ok(fresh(reqHeaders, resHeaders)) 
  7.    }) 
  8. }) 

此外，以上代碼中的 W/(大小寫敏感) 表示使用弱驗證器。弱驗證器很容易生成，但不利于比較。而如果 etag 中不包含 W/，則表示強驗證器，它是比較理想的選擇，但很難有效地生成。相同資源的兩個弱 etag 值可能語義等同，但不是每個字節都相同。

3.4 判斷 Last-Modified 是否過期

  1. // https://github.com/jshttp/fresh/blob/master/index.js 
  2. function fresh (reqHeaders, resHeaders) { 
  3.   var modifiedSince = reqHeaders['if-modified-since'] // 獲取請求頭中的修改時間 
  4.   var noneMatch = reqHeaders['if-none-match'] 
  5.  
  6.   // if-modified-since 
  7.   if (modifiedSince) { 
  8.     var lastModified = resHeaders['last-modified'] // 獲取響應頭中的修改時間 
  9.     var modifiedStale = !lastModified || !(parseHttpDate(lastModified) <= parseHttpDate(modifiedSince)) 
  10.  
  11.     if (modifiedStale) { 
  12.       return false 
  13.     } 
  14.   } 
  15.  
  16.   return true 
  17. } 

Last-Modified 的判斷邏輯很簡單，當響應頭未設置 last-modified 字段信息或者響應頭中 last-modified 的值大于請求頭 if-modified-since 字段對應的修改時間時，則新鮮度的檢測結果為 false，即表示資源已被修改過，已經不新鮮了。

了解完 fresh 函數的具體實現之后，我們再來回顧一下 Last-Modified 和 ETag 之間的區別：

  • 精確度上，Etag 要優于 Last-Modified。Last-Modified 的時間單位是秒，如果某個文件在 1 秒內被改變多次，那么它們的 Last-Modified 并沒有體現出來修改，但是 Etag 每次都會改變，從而確保了精度;此外，如果是負載均衡的服務器，各個服務器生成的 Last-Modified 也有可能不一致。
  • 性能上，Etag 要遜于 Last-Modified，畢竟 Last-Modified 只需要記錄時間，而 ETag 需要服務器通過消息摘要算法來計算出一個hash 值。
  • 優先級上，在資源新鮮度校驗時，服務器會優先考慮 Etag。 即如果條件請求的請求頭同時攜帶 If-Modified-Since 和 If-None-Match 字段，則會優先判斷資源的 ETag 值是否發生變化。

看到這里相信你對示例中 index.js 資源請求返回 304 的原因，應該有了大致的理解。如果你對 koa-etag 中間件是如何生成 ETag 感興趣的話，可以閱讀 HTTP 中的 ETag 是如何生成的? 這篇文章。

四、緩存機制

強緩存優先于協商緩存進行，若強緩存(Expires 和 Cache-Control)生效則直接使用緩存，若不生效則進行協商緩存(Last-Modified/If-Modified-Since 和 Etag/If-None-Match)，協商緩存由服務器決定是否使用緩存，若協商緩存失效，那么代表該請求的緩存失效，返回 200，重新返回資源和緩存標識，再存入瀏覽器緩存中;生效則返回 304，繼續使用緩存。

具體的緩存機制如下圖所示：

為了讓大家能夠更好地理解緩存機制，我們再來簡單分析一下前面的介紹 Koa 緩存示例：

  1. // server.js 
  2. const Koa = require("koa"); 
  3. const path = require("path"); 
  4. const serve = require("koa-static"); 
  5. const etag = require("koa-etag"); 
  6. const conditional = require("koa-conditional-get"); 
  7.  
  8. const app = new Koa(); 
  9.  
  10. app.use(conditional()); // 使用條件請求中間件 
  11. app.use(etag()); // 使用etag中間件 
  12. app.use( // 使用靜態資源中間件 
  13.   serve(path.join(__dirname, "/public"), { 
  14.     maxage: 10 * 1000, // 設置緩存存儲的最大周期，單位為秒 
  15.   }); 
  16. ); 
  17.  
  18. app.listen(3000, () => { 
  19.   console.log("app starting at port 3000"); 
  20. }); 

以上示例使用了 koa-conditional-get、koa-etag 和 koa-static 這 3 個中間件。它們的具體定義分別如下：

4.1 koa-conditional-get

  1. // https://github.com/koajs/conditional-get/blob/master/index.js 
  2. module.exports = function conditional () { 
  3.   return async function (ctx, next) { 
  4.     await next() 
  5.     if (ctx.fresh) { // 資源未更新，則返回304 Not Modified  
  6.       ctx.status = 304 
  7.       ctx.body = null 
  8.     } 
  9.   } 
  10. } 

koa-conditional-get 中間件的實現很簡單，如果資源是新鮮的，則直接返回 304 狀態碼并設置響應體為 null。

4.2 koa-etag

  1. // https://github.com/koajs/etag/blob/master/index.js 
  2. module.exports = function etag (options) { 
  3.   return async function etag (ctx, next) { 
  4.     await next() 
  5.     const entity = await getResponseEntity(ctx) // 獲取響應實體對象 
  6.     setEtag(ctx, entity, options) 
  7.   } 
  8. } 

在 koa-etag 中間件內部，當獲取到響應實體對象之后，會調用 setEtag 函數來設置 ETag。setEtag 函數的定義如下：

  1. // https://github.com/koajs/etag/blob/master/index.js 
  2. const calculate = require('etag') 
  3.  
  4. function setEtag (ctx, entity, options) { 
  5.   if (!entity) return 
  6.   ctx.response.etag = calculate(entity, options) 
  7. } 

很明顯在 koa-etag 中間件內部是通過 etag 這個庫，來為響應實體生成對應的 etag的。

4.3 koa-static

  1. // https://github.com/koajs/static/blob/master/index.js 
  2. function serve (root, opts) { 
  3.   opts = Object.assign(Object.create(null), opts) 
  4.   // 省略部分代碼 
  5.   return async function serve (ctx, next) { 
  6.     await next() 
  7.     if (ctx.method !== 'HEAD' && ctx.method !== 'GET') return 
  8.     // response is already handled 
  9.     if (ctx.body != null || ctx.status !== 404) return 
  10.     try { 
  11.       await send(ctx, ctx.path, opts) 
  12.     } catch (err) { 
  13.       if (err.status !== 404) { 
  14.         throw err 
  15.       } 
  16.     } 
  17.   } 
  18. } 

對于 koa-static 中間件來說，當請求方法不是 GET 或 HEAD 請求(不應包含響應體)時，則直接返回。而靜態資源的處理能力，實際是交由 send 這個庫來實現的。

最后為了讓小伙伴們能夠更好地理解以上中間件的處理邏輯，阿寶哥帶大家來簡單回顧一下洋蔥模型：

在上圖中，洋蔥內的每一層都表示一個獨立的中間件，用于實現不同的功能，比如異常處理、緩存處理等。每次請求都會從左側開始一層層地經過每層的中間件，當進入到最里層的中間件之后，就會從最里層的中間件開始逐層返回。因此對于每層的中間件來說，在一個 請求和響應 周期中，都有兩個時機點來添加不同的處理邏輯。

五、總結

本文阿寶哥基于 Koa 的緩存示例，介紹了 HTTP 304 狀態碼和 fresh 模塊中的 fresh 函數是如何實現資源新鮮度檢測的。希望閱讀完本文后，你對 HTTP 和瀏覽器的緩存機制有更深入的理解。此外，本文只是簡單介紹了 Koa 的洋蔥模型，如果你對洋蔥模型感興趣，可以繼續閱 如何更好地理解中間件和洋蔥模型 這篇文章。

六、參考資源

  • MDN - HTTP 條件請求
  • HTTP 中的 ETag 是如何生成的?

 

責任編輯：姜華 來源： 全棧修仙之路
HttpETag 網絡協議
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