首先需要声明的是，我们这里讨论的缓存是基于 HTTP 协议实现的缓存，这些缓存通常存储在 HTTP 客户端，通过请求头或响应头来协商和标识，而不是那些存储在 Memcached 或者 Redis 服务器中的缓存，后者更多用来缓存从数据库中获取的数据。
为什么需要缓存
在通过客户端访问服务器时，对于某些静态资源文件或页面（比如 HTML 文档、CSS、JavaScript 文件、图片等），它们变动的频率很小，同一个客户端发起多次请求返回的都是同一个文件，这样就会对服务器的带宽造成浪费，同时也会加重 Web 服务器的负载，降低 Web 服务器的性能。如果在客户端首次获取到这些静态文件后，将这些变动频率很低的静态文件缓存到客户端，这样，客户端下次发起请求时，就可以直接从本地获取对应的缓存文件，不必每次都从服务器获取，就可以提高服务器的负载，进而提升服务器的性能，同时还会减少网络流量，降低客户端请求等待延迟，从而提升客户端用户的体验，这就是 HTTP 缓存的意义。
HTTP 缓存的种类
HTTP 缓存的种类有很多，但大致可以分为私有缓存和共享缓存两种：
- 私有缓存：作用于单个用户，通常就是浏览器缓存；
- 共享缓存：往往存放在可以被多个用户共享的代理之中，所以有时候也叫代理缓存。
除此之外还有网关缓存也属于 HTTP 缓存，反向代理缓存、CDN 缓存都属于其范畴之内，这些更加复杂的缓存我们放到后续去讨论，而代理缓存往往存储在公司或 ISP 服务商假设的作为本地网络一部分的 Web 代理中，也不是我们本篇重点讨论的内容，所以接下来我们主要以客户端浏览器缓存为例来介绍 HTTP 缓存的工作机制和实现原理。
HTTP 缓存的工作原理
虽然 HTTP 缓存的种类繁多，构建机制也不尽相同，但基本工作原理是一致的，无外乎以下这几个步骤：
- 接收：读取请求报文；
- 解析：对请求报文进行解析，提取 URL 和各种首部字段；
- 查询：查看是否有本地缓存可用，如果没有，则从服务器获取相应的资源并存储到本地；
- 新鲜度检查：缓存不会一直有效，所谓的「新鲜度」指的是和食品的保质期类似，缓存是有有效期的，在有效期之内才可以使用，否则需要向服务器查询对应资源是否有更新；
- 创建响应：缓存会用新的首部和缓存的响应主体来构建响应报文；
- 发送：将响应发送给客户端；
- 日志：缓存可以创建一条日志来记录这个 HTTP 事务。
所以，总结下来，一个 HTTP 请求的缓存处理流程如下：
另外，需要注意的是通常我们只会对 GET 请求资源进行缓存，因为只有 GET 请求不会对资源实体的状态进行改变，OPTIONS 请求不返回响应实体没有缓存的意义，而其他诸如 POST、PUT、DELETE、PATCH 这些会改变资源状态的请求则不能进行缓存。
HTTP 缓存的实现机制
基于 HTTP 协议的 HTTP 缓存是通过在请求头和响应头中设置相应的字段值来实现的，下面我们将详细介绍比较常见的缓存相关首部字段，比如 Expires、Cache-Control、Last-Modified/If-Modified-Since、Etag/If-None-Match 等。
Expires
Expires 字段的值为服务端返回的缓存资源到期时间（绝对时间），即下一次请求时，请求时间小于服务端返回的到期时间，直接使用缓存数据。
不过 Expires 是 HTTP/1.0 的东西，现在浏览器均默认使用 HTTP/1.1，所以它的作用基本忽略。
另一个问题是，到期时间是由服务端生成的，但是客户端时间可能跟服务端时间有误差，这就会导致缓存命中的误差。所以 HTTP/1.1 使用 Cache-Control 替代该字段。而且如果在 Cache-Control 响应头设置了 max-age 或者 s-max-age 指令，那么 Expires 头也会被忽略。
下面我们将继续探讨基于 Cache-Control、Last-Modified/If-Modified-Since、Etag/If-None-Match 这三种方式实现 HTTP 缓存。
Cache-Control
在 HTTP/1.0 中通过 Expires 首部字段来判断缓存是否过期，但是 Expires 字段值是一个绝对日期，有其局限性，在 HTTP/1.1 中我们统一通过 Cache-Control 字段来控制缓存的有效期及实现细节。可以说 Cache-Control 是 HTTP 缓存相关首部字段中最重要的一个字段，下面我们具体来看如果通过该字段设置 HTTP 缓存。
在 Cache-Control 字段中可以设置多个属性值，不同属性值之间通过逗号分隔，作为一个通用首部字段，请求头和响应头中都可以出现这个字段，并且通过不同的属性值来定义 HTTP 缓存策略。常见的属性及其含义如下所示：
no-store：禁止进行缓存，缓存中不得存储任何关于客户端请求和服务端响应的内容，每次由客户端发起的请求都会从服务端下载完整的响应内容；no-cache：这个属性值很具有迷惑性，它的含义并不是不使用缓存，而是强制确认缓存，每次有请求发出时，缓存会将此请求发到服务器（该请求应该会带有与本地缓存相关的验证字段），服务器端会验证请求中所描述的缓存是否过期，若未过期，则缓存才使用本地缓存副本。该属性和 HTTP/1.0 中的 -Pragma: no-cache 等效；public：用于共享缓存，任何中间代理都可以缓存响应；private：用于私有缓存，只有客户端浏览器才可以缓存响应，没有指定 public 时，默认为 private；max-age：用于设置缓存有效期，与 Expires 字段值不同，max-age 是距离请求发起时间的秒数，是一个相对值，从而可以避免客户端与服务端时间不一致导致的误差，如果在响应头中两者都存在，则以 max-age 为准，Expires 自动失效；must-revalidate：使用该指令时，意味着缓存在考虑使用一个陈旧的资源时，必须先验证它的状态，已过期的缓存将不被使用。该属性与 no-cache 的区别在于，使用 no-cache 时，不管本地资源缓存副本是否过期，使用资源缓存副本前，一定要到源服务器进行副本有效性校验，而 must-revalidate 则不然，只有在本地资源缓存副本过期后，才去源服务器进行有效性检测。
关于缓存有效性检测（或者叫做新鲜度检测、服务器再验证），在 HTTP/1.1 协议中可以通过两对首部字段来实现。
Last-Modified/If-Modified-Since
Last-Modified 字段常用于响应头中，告知客户端资源的最后修改时间，这样，当客户端再次请求该资源时，会在 If-Modified-Since 请求头字段中带上上次请求返回的最后修改时间，服务器收到请求报文后发现请求头包含 If-Modified-Since 字段，则与被请求资源的最后修改时间进行对比。如果资源的最后修改时间大于 If-Modified-Since 字段值，说明资源又被改动过，则返回完整的资源内容，对应响应状态码为 200；如果资源的最后修改时间小于或等于 If-Modified-Since 字段值，说明资源没有做新的修改，则返回状态码 304，告知浏览器使用本地保存的缓存作为响应实体。
Etag/If-None-Match
和上面那对首部字段类似，Etag 用于响应头中，告知客户端资源在服务器的唯一标识（生成规则由服务器指定，每当资源发生修改后 Etag 值会变化），当客户端再次请求该资源时，通过 If-None-Match 字段通知服务器客户段缓存资源数据的唯一标识。服务器收到请求报文后发现请求头包含 If-None-Match 字段，则与被请求资源的唯一标识进行对比，如果不同，说明资源又被改动过，则返回完整的资源内容，对应响应状态码为 200；如果相同，说明资源没有做新的修改，则返回状态码 304，告知浏览器使用本地保存的缓存作为响应实体。
需要指出的是 Etag/If-None-Match 的优先级要高于 Last-Modified/If-Modified-Since，如果同时出现，以前者为准。
综上，缓存有效性检测逻辑流程图如下所示：
如果把范围再扩大到通过 Cache-Control 来定义 HTTP 缓存策略，则对应的流程图如下所示：
最后一步「Add Etag Header」还可以改为「Add Last-Modified Header」。
以上就是 HTTP 缓存的底层工作原理和实现机制。
Laravel 项目中实现 HTTP 缓存：浏览器缓存
在实际项目中，基于客户端浏览器的私有缓存并不是主流的实现方案，因为服务端页面更新后，往往需要用户主动刷新页面才能清空缓存，并不便于服务端去控制，所以针对 HTTP 缓存，使用网关缓存的实现更为主流，比如我们比较熟悉的 CDN 缓存、反向代理缓存都属于这一范畴，常见的反向代理服务器有 Nginx、Squid、Varnish 等，Nginx 更多用于高性能 Web 服务器，具备缓存静态资源的能力，Squid、Varnish 则多用于代理缓存服务器，用于实现 HTTP 静态缓存。我们这里强调「静态」是为了区别于 Memcached、Redis 之类的缓存服务器，后者更多用于存储从数据库获取的、动态变化的「动态」缓存。
下面我们以基于 Laravel 框架的 PHP 项目为例，简单演示下如何通过浏览器缓存和网关缓存实现 HTTP 缓存。
浏览器缓存
首先我们来看通过 Expires 响应头实现 HTTP 缓存，这很简单，只需要在返回的响应实例上设置额外的 Expires 头即可，我们设置资源过期时间为 1 小时后：
Route::get('expires', function () {
return response('Test Expires Header')->setExpires(new DateTime(date(DATE_RFC7231, time() + 3600)));
});
在浏览器访问该路由，首次访问本地还没有缓存副本，会从服务器拉取资源并保存到本地，再次访问就可以通过浏览器缓存获取资源了：
响应状态码仍然是 200，但是后面有一个提示，说明该资源是从本地缓存获取的。注意不要刷新页面，否则会在请求头中加上 Cache-Control: max-age=0，设置该请求头后，每次都会从服务器验证缓存是否已过期，只有在服务器返回 304 响应时才会应用缓存，否则会从服务器拉取最新资源。
类似的，我们还可以通过在响应头设置 Cache-Control 字段来实现浏览器缓存：
Route::get('cache_control', function () {
return response('Test Cache-Control Header')->setClientTtl(3600);
});
这段代码会在响应头中设置 Cache-Control 的 max-age 属性值为 3600，表示缓存有效期为 1 个小时。同样，首次访问的时候，由于本地没有相应的缓存副本，会从服务器读取最新资源并保存到本地，第二次访问的时候，就会从缓存获取了：
上述两种缓存策略都属于强制缓存，如果响应头 Cache-Control 中设置了 no-cache，则需要客户端发送相应的请求协商头（If-Modified-Since/If-None-Match），与服务端对应字段（Last-Modified/Etag）对比验证缓存是否过期来实现 HTTP 缓存，这种缓存策略我们称之为对比缓存。
我们以 If-Modified-Since/Last-Modified 为例来演示这种浏览器缓存的实现，首先我们在 Laravel 项目中定义相应的路由如下：
Route::get('no_cache', function (IlluminateHttpRequest $request) {
$httpcache = false;
$lastmodified = 'Thu, 09 May 2019 22:32:00 GMT';
if ($request->hasHeader('If-Modified-Since')) {
$time1 = new DateTime($request->header('If-Modified-Since'));
$time2 = new DateTime($lastmodified);
if ($time1->getTimestamp() >= $time2->getTimestamp()) {
$httpcache = true;
}
}
$response = response('');
$response->headers->addCacheControlDirective('no-cache', true);
$response->setClientTtl(3600);
$response->setLastModified(new DateTime($lastmodified));
if ($httpcache) {
$response->setStatusCode(304);
return $response;
}
$response->setContent('Test Cache-Control Header：no-cache');
return $response;
});
我们需要设置响应头 Cache-Control 字段值为 no-cache,max-age=3600,private，同时还设置 Last-Modified 字段值为一个固定值，并且需要注意的是在对比缓存中，如果缓存有效，返回的响应状态码是 304，这一点和强制缓存不同，在浏览器中访问该路由，首次访问的时候会从服务器获取资源并缓存到本地，再次访问的时候，浏览器会自动加上 If-Modified-Since 请求头，如果缓存有效则返回 304 状态码，然后使用本地缓存作为响应实体在页面渲染：
max-age=0、no-cache 与 no-store 的区别
在浏览器访问该路由，会发现尽管设置了 Expires 头，但是浏览器并没有通过缓存获取资源，而是每次都从服务器获取资源，这是因为 Chrome 浏览器默认为在请求头中设置 Cache-Control 字段值为 max-age=0：
Cache-Control: max-age=0
即缓存过期时间为0，意思是不管响应头如何设置，客户端每次仍然会请求服务器判断资源是否过期，如果服务器返回 304 响应，则使用客户端缓存，否则使用服务端最新资源，效果等同于刷新（F5）浏览器页面。还有一个与之类似的请求头：
Cache-Control: no-cache
该请求头用于协商缓存，并不是不缓存的意思，而是每次都要去服务器验证资源有没有更新，如果更新了则使用服务器返回的最新资源，否则使用浏览器本地缓存。最后还有一个 no-store：
Cache-Control: no-store
意思是不管响应头如何设置，客户端都不会进行重新验证，服务器也不能返回缓存副本，每次请求都会从服务器获取最新资源，效果等同于强制刷新（Ctrl+F5）浏览器页面。
浏览器这么做固然是为了让用户每次可以获取服务端最新资源，但是这个默认行为导致我们也没法做测试，毕竟这个是客户端行为，我们无法通过服务端代码来控制。为了方便测试，我们可以在 Chrome 中安装 Smart Header 扩展来修改请求头，不要带上 Cache-Control 字段，这样再访问上面定义的 expires 路由，就可以通过浏览器缓存获取资源了。
Laravel 项目中实现 HTTP 缓存：网关缓存
**比起浏览器缓存，网关缓存更易于通过服务端代码进行维护和控制，同时还可以被多个客户端共享，所以更推荐在实际项目中以这种方式实现 HTTP 缓存。
**
原理概述
这里要介绍的网关缓存主要就是反向代理缓存，常见的反向代理服务器有 Nginx、Varnish、Squid 等，但是这里为了简化模型，将使用 Symfony 框架提供的 HTTP Cache 功能来做演示，Laravel 框架底层的 HTTP 模块是基于 Symfony 的，所以我们很容易在 Laravel 框架中基于 Symfony 的 HTTPCache 模块来实现 HTTP 缓存，更加方便的是，还有一个现成的 Laravel HTTP Cache 扩展包 barryvdh/laravel-httpcache 对 Symfony 的 HTTP 缓存功能进行了封装，以便我们在 Laravel 项目中快速接入以实现 HTTP 缓存。
有关 Symfony 的 HTTP Cache 功能可以参考 Symfony 文档，这里我们将重点放在基于 laravel-httpcache 扩展包在 Laravel 项目中演示基于网关缓存实现 HTTP 缓存上。
安装扩展包
首先，我们通过 Composer 在 Laravel 项目根目录下安装这个扩展包：
composer require barryvdh/laravel-httpcache
然后，在 app/Http/Kernel.php 的 web 中间件组中添加一个中间件：
BarryvdhHttpCacheMiddlewareCacheRequests::class,
这样，我们就可以在 routes/web.php 定义的路由中应用 HTTP 网关缓存了，之所以叫做网关缓存，是因为这个缓存存放在服务器网关而非客户端浏览器或中间代理中，这里的网关就是 Symfony 底层基于 PHP 实现的简单反向代理服务器了（工业级反向代理缓存服务器还是使用 Varnish 或 Squid）。
网关缓存实现:
Expires
就是这么简单，接下来我们可以编写路由来演示基于底层 Symfony 网关实现的 HTTP 缓存了，首先我们来看基于 Expires 响应头的缓存：
Route::get('expires', function () {
return response('Test Expires Header')
->setPublic()
->setExpires(new DateTime(date(DATE_RFC7231, time() + 3600)));
});
由于缓存要存放在服务器网关中，所以 Cache-Control 响应头中需要设置 public 属性（默认是 private），我们可以通过 setPublic 方法来实现这一目的，然后通过 setExpires 方法设置缓存过期时间，这样，在浏览器访问该路由，首次访问的时候，会从服务器读取最新资源数据，同时 Symfony 网关会设置相应的响应头 X-Symfony-Cache: miss,store，表示缓存未命中，已存储：
缓存记录默认存储在 Laravel 项目的 storage/httpcache 目录下，再次访问该路由，就会从网关缓存获取资源了，这可以通过 X-Symfony-Cache: fresh 响应头得知：
Cache-Control
接下来，我们来看下基于 Cache-Control 响应头实现的网关缓存，相应的路由定义如下：
Route::get('cache_control', function () {
return response('Test Cache-Control Header')->setTtl(3600);
});
max-age 用于设置本地缓存有效期，如果是代理缓存或网关缓存，则需要通过 s-maxage 属性来设置，所以在上述代码中我们使用了 setTtl 方法而不是 setClientTtl，该方法会同时设置 Cache-Control 响应头的 s-maxage 以及 public 属性，这样，我们在浏览器中访问该路由，首次访问当然还是不会命中，但缓存会被存储到网关：
再次访问，就可以从缓存获取资源了：
If-Modified-Since/Last-Modified
下面我们再以 If-Modified-Since/Last-Modified 为例演示一个对比缓存的例子，编写路由定义如下：
Route::get('no_cache', function () {
$response = response('Test If-Modified-Since/Last-Modified Http Cache');
$response->headers->addCacheControlDirective('no-cache', true);
$response->setTtl(3600);
$response->setLastModified(new DateTime(date(DATE_RFC7231)));
return $response;
});
我们设置响应头 Cache-Control 字段值为：no-cache,public,s-maxage=3600，表示需要进行缓存新鲜度检测，如果缓存未过期，则返回 304 响应，否则返回最新资源，同样首次访问该路由的时候缓存未命中，但会保存下来：
再次访问，则返回 304 响应，然后从网关缓存获取缓存副本作为响应实体返回给客户端：
If-None-Match/Etag 实现思路也是类似，这里不再单独演示了。
小结
以上就是 Laravel 项目中实现通过浏览器缓存和网关缓存实现 HTTP 缓存的大致思路，有了 HTTP 缓存，就可以降低服务器负载和网络带宽，从而提高服务器性能，加快用户访问页面速度，在实际项目中，你可以将 Symfony 网关替换成 Varnish 之类的工业级软件，效果会更好，在 Laravel 中使用 Varnish 可以使用 spatie/laravel-varnish 这个扩展包。另外，需要注意的是，以上 HTTP 缓存都会存储完整的响应实体，即整个页面，所以 HTTP 缓存多适用于静态页面或文件的存储，如果你想要缓存数据片段的话，则更适合通过 Memcached 或 Redis 之类的缓存方案来解决。