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一、前言-缓存的作用

本文已收录于PHP全栈系列专栏：PHP快速入门与实战

Web 开发中常见的缓存有浏览器缓存、CDN 缓存、数据库缓存和应用程序缓存。每种缓存都有各自的优化方法，以提高 Web 应用的性能和用户体验。缓存在我们系统设计中起到了举足轻重的作用。利用好缓存设计既能够提升我们的网站访问速度，也能够提升开发人员的技术水平。

缓存在web应用中起到以下几个作用：

1.1 提高性能

缓存可以减少对数据库或其他资源的频繁访问，从而加快响应时间和提高系统的吞吐量。

1.2 减轻服务端压力

通过缓存静态内容（如HTML、CSS、JavaScript文件），可以减少服务器的负载，提高应用的可扩展性和稳定性。

1.3 减少网络流量

通过缓存页面或资源，可以减少重复请求和响应，从而减小网络带宽的使用。

1.4 改善用户体验

缓存可以使用户更快地加载页面或资源，提供更好的使用体验，尤其是在低网络速度或高延迟的情况下。

1.5 支持离线访问

将页面或资源缓存在本地，用户可以在没有网络连接的情况下访问已缓存的内容。

1.6 降低数据传输成本

通过缓存常用的数据或结果，可以减少数据传输的成本，尤其是在跨地区或跨网络边界的场景中。

今天本文就来详细讲解在一些流量较大的网站用，缓存是如何使用的，主要有下面一些缓存的设计。

二、浏览器缓存

浏览器缓存是指在用户访问网站后，浏览器会将一些静态资源（如图片、CSS、JavaScript
文件）保存在本地，在下次访问该网站时直接从本地加载，而不是再次向服务器请求。这样可以减少网络传输，提高加载速度。
可以通过 Expires、Cache-Control、ETag 和 Last-Modified 等来控制缓存的有效期和验证机制。同时，对于动态内容，可以使用版本号或摘要进行更新。

当用户访问一个网页时，浏览器会检查该页面的缓存是否存在，如果存在并且未过期，则直接从缓存中加载资源，而不是重新下载。浏览器缓存有两种类型：强缓存和协商缓存。

2.1 强缓存

当用户第一次访问网页时，服务器会返回一个响应头字段"Cache-Control"或"Expires"，用来指示该资源在多长时间内可以被缓存。之后，用户再次访问该资源时，浏览器会根据此信息判断是否使用缓存。例如，响应头中包含"Cache-Control:max-age=3600"表示该资源可以在一小时内被缓存。

2.2 协商缓存

如果资源的缓存已过期或无效，浏览器会向服务器发送一个请求，服务器会返回一个响应头字段"Last-Modified"和一个唯一的标识符。之后，用户再次访问资源时，浏览器会发送一个请求头字段"If-Modified-Since"，将上次获取资源时的"Last-Modified"值传递给服务器。如果资源未发生变化，服务器会返回一个状态码"304 Not Modified"，浏览器则从缓存中加载资源；否则，服务器会返回更新的资源。

下面举一个例子来说明如何使用浏览器缓存：

• 用户第一次访问一个网站的首页时，服务器返回以下响应头：

   Cache-Control:max-age=3600

此时，浏览器会将该网页的HTML、CSS和JavaScript文件等缓存一小时。

• 用户再次访问该网站的首页时，浏览器会检查缓存是否过期。如果在一小时内，浏览器会从缓存中加载资源，提升加载速度。

• 如果用户点击了网页中的链接，访问了其他页面。当用户返回到首页时，浏览器会直接从缓存中加载资源，而不需要重新下载。

• 如果用户在一小时后再次访问首页，此时缓存已过期，浏览器会向服务器发送请求，服务器返回新的首页资源并更新缓存。

通过使用浏览器缓存，可以节省带宽，加快网页加载速度，并提供更好的用户体验。

三、CDN 缓存

CDN（Content Delivery Network）缓存是一种网络技术，用于加速访问网站或应用程序的内容。它通过将静态内容（如图片、CSS和JavaScript文件）缓存在位于全球各地的服务器上，从而使用户能够更快地获取到这些内容。

3.1 使用CDN缓存的好处

3.1.1 加速网站加载时间

当用户请求内容时，CDN会根据用户的地理位置将内容传输到离用户最近的服务器，减少了网络延迟，从而提高网站加载速度。

3.1.2 节省服务器带宽

CDN服务器可以缓存并服务大部分静态内容，这样可以减轻源服务器的负载，节省服务器带宽，提高整体性能。

3.1.3 提高可用性和可靠性

CDN通常具有冗余架构，即使某个服务器出现故障，其他服务器仍然能够提供内容。

3.2 使用CDN的场景

假设你拥有一个电子商务网站，在全球范围内有许多用户。你的网站包含大量的产品图片。使用CDN缓存，你可以将这些图片上传到CDN服务器上，并配置CDN，使其根据用户的地理位置提供这些图片。

当用户访问你的网站时，他们的浏览器会从CDN服务器中获取图片，而不是从源服务器。由于CDN服务器通常位于用户附近，所以图片可以更快地加载到用户的设备上，提供更好的用户体验。

另外，由于图片已经缓存在CDN服务器上，当其他用户也需要相同的图片时，CDN服务器可以直接提供，而不必再次从源服务器获取，从而减少了源服务器的压力和带宽消耗。

CDN缓存通过在全球范围内分布服务器并缓存静态内容，提供了更快速、可靠和高效的内容交付方式。这对于大型网站、电子商务平台和流媒体服务等特别有用。

四、Nginx缓存

4.1 关于Nginx缓存

Nginx缓存是一种功能强大的工具，能够帮助提高网站的性能和响应速度。它通过在服务器和客户端之间保存已经访问过的页面、图片、文件等内容，以便在下次访问时快速地响应请求，而无需再次从源服务器获取数据。

使用Nginx缓存可以减少对源服务器的请求，减轻其负载，提高网站的并发能力。另外，缓存还能有效地减少网络流量，并且对于移动设备和慢网络连接的用户来说，使用缓存可以显著提升页面加载速度和用户体验。

4.2 关于配置和使用Nginx缓存

下面是一个简单的示例，说明如何在Nginx中配置和使用缓存：

4.2.1 配置缓存路径

在Nginx的配置文件中，添加以下代码配置缓存路径和相关选项：

http {
	...
	   proxy_cache_path /path/to/cache levels=1:2 keys_zone=my_cache:10m max_size=10g inactive=60m use_temp_path=off;
    ...
}

• /path/to/cache 是缓存路径，这里可以根据需要指定一个合适的目录。
• levels=1:2 指定缓存路径的层级结构。
• keys_zone=my_cache:10m 定义了缓存区域的名称和内存大小。
• max_size=10g 指定缓存的最大大小。
• inactive=60m 设置缓存文件在指定时间内未被访问时将被删除。
• use_temp_path=off 禁用使用临时路径。

4.2.1 开启缓存

在需要开启缓存的地方，例如反向代理服务器或者静态文件服务器的配置中，添加以下代码：

location / {
  ...
  proxy_cache my_cache;
  proxy_cache_valid 200 302 10m;
  proxy_cache_valid 404 1m;
  ...
}

• proxy_cache my_cache; 启用缓存，将请求结果保存到名为 my_cache 的缓存区域中。
• proxy_cache_valid 200 302 10m; 设置当响应状态码为200或302时缓存的有效期为10分钟。
• proxy_cache_valid 404 1m; 设置当响应状态码为404时缓存的有效期为1分钟。

通过以上配置，Nginx将会根据请求的URL和相关选项来查找和提供缓存内容。如果缓存中存在对应的内容，则直接返回给客户端；否则，Nginx将从源服务器获取内容，并将其存储在缓存中供下次使用。

通过合理地配置Nginx缓存，你可以显著提高网站的性能和用户体验。

五、接口缓存

5.1 关于接口缓存

接口缓存是指将接口的响应数据缓存起来，以便在后续请求同一个接口时可以直接从缓存中获取数据，而不必再次向后端发起请求。这样可以提高接口的响应速度和降低后端服务器的负载。

5.2 使用接口缓存

在PHP中，可以通过以下步骤实现一个简单的文件接口缓存：

• 定义一个用于判断缓存是否过期的时间阈值，例如5分钟：

$cacheExpiration = 300; // 5 minutes in seconds

• 在调用接口之前，先检查缓存文件是否存在以及是否过期：

$cacheFile = 'cache/api_response.cache'; // 缓存文件路径
if (file_exists($cacheFile) && time() - filemtime($cacheFile) < $cacheExpiration) {
    // 从缓存文件中读取数据
    $response = file_get_contents($cacheFile);
} else {
    // 发起请求获取数据
    $response = makeApiRequest();

    // 将数据保存到缓存文件
    file_put_contents($cacheFile, $response);
}

• 缓存文件的名称可以根据接口的URL进行哈希或其他处理生成，以确保每个接口都有唯一的缓存文件。

这只是一个简单的文件接口缓存的实现示例，实际应用中还需要考虑缓存的管理、更新策略、缓存失效的处理等问题。另外，接口缓存对于一些需要即时更新的数据，如用户信息等，并不适用。因此，在实际应用中需要根据具体场景进行综合考虑和使用。

六、数据库缓存

Web数据缓存是一种常用的优化技术，它可以减少数据库查询和网络请求，提高网站的响应速度。在Web开发中，可以使用各种工具和技术来实现数据缓存。

6.1 Memcached

Memcached是一个内存对象缓存系统，它可以将数据存储在内存中，以提高访问速度。使用Memcached扩展库，可以通过简单的键值对操作来存储和获取数据。

$memcached = new Memcached();
$memcached->addServer('localhost', 11211);

$data = $memcached->get('data'); // 从缓存中获取数据
if(empty($data)) {
   // 如果缓存数据为空，从数据库查询数据并写入缓存
   $data = fetchDataFromDB();
   $memcached->set('data', $data);
}

// 使用缓存数据进行操作

6.2 Redis

Redis是一个基于内存的键值对存储系统，类似于Memcached，但提供了更丰富的数据结构和功能。使用Redis扩展库可以方便地进行缓存操作。

$redis = new Redis();
$redis->connect('localhost', 6379);

$data = $redis->get('data'); // 从缓存中获取数据
if(empty($data)) {
   // 如果缓存数据为空，从数据库查询数据并写入缓存
   $data = fetchDataFromDB();
   $redis->set('data', $data);
}

// 使用缓存数据进行操作

七、内存及全局变量缓存

在PHP中，内存和全局变量缓存是两种不同的概念。

7.1 内存缓存

PHP中的内存缓存是通过使用内存来存储数据以提高读取和操作数据的速度。这可以通过使用一些扩展库（如Memcached、Redis等）或者PHP自带的函数（如apcu、shmop等）来实现。

下面是一个使用APCu扩展库来实现内存缓存的示例代码：

// 存储数据到内存缓存中
apcu_store('key', 'value');

// 从内存缓存中读取数据
$data = apcu_fetch('key');
if ($data === false) {
    // 缓存中不存在数据，需要重新获取数据并存储到缓存中
    $data = getDataFromDatabase();
    apcu_store('key', $data);
}

// 删除内存缓存中的数据
apcu_delete('key');

7.2 全局变量缓存

全局变量缓存是指将经常使用的数据存储在全局变量中，以减少对数据库或其他外部资源的访问次数，提高程序的性能。

下面是一个使用全局变量缓存的示例代码：

// 定义一个全局变量，并初始化为null
global $cachedData;
$cachedData = null;

function getData() {
    // 判断全局变量是否已缓存数据
    global $cachedData;
    if ($cachedData !== null) {
        return $cachedData;
    }
    
    // 从数据库中获取数据
    $data = getDataFromDatabase();
    
    // 将数据存储到全局变量中
    global $cachedData;
    $cachedData = $data;
    
    return $data;
}

// 使用缓存的数据
$data = getData();

在上述代码中，全局变量$cachedData被用来缓存数据，当需要获取数据时，首先检查全局变量是否已经缓存了数据。如果是，则直接返回缓存的数据；否则，从数据库中获取数据并存储到全局变量中，以供后续使用。

需要注意的是，在使用全局变量缓存时，需要注意并发访问的问题，例如使用互斥锁（如flock()函数）来避免多个进程同时修改全局变量。此外，也需要注意及时更新缓存的数据，以保证数据的准确性。

八、总结

本文系统的讲述了在大流量如电商网站中，缓存的一些分类及如何应用的，但是再实际的项目过程中，面临的业务问题可能更加复杂，技术挑战更大，需要我们不断学习，总结经验，把这些缓存技术用好。

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