Frontend-Caching-Strategien: HTTP-Cache und Service-Worker-Cache

In der Welt der Webentwicklung ist die Optimierung der Website-Performance von größter Bedeutung. Eine langsame Website kann zu frustrierten Benutzern, höheren Absprungraten und letztendlich zu negativen Auswirkungen auf Ihr Unternehmen führen. Caching, eine Technik zum Speichern und Wiederverwenden zuvor abgerufener Ressourcen, spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Website-Geschwindigkeit und der Reduzierung der Serverlast. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über zwei wichtige Frontend-Caching-Strategien: HTTP-Caching und Service-Worker-Caching.

Grundlagen des Caching verstehen

Caching beinhaltet das Speichern von Kopien von Ressourcen wie HTML, CSS, JavaScript, Bildern und anderen Assets näher am Benutzer. Wenn ein Benutzer eine Ressource anfordert, prüft der Browser oder ein Caching-Vermittler zunächst, ob eine zwischengespeicherte Kopie verfügbar ist. Wenn dies der Fall ist (ein „Cache-Treffer“), wird die Ressource aus dem Cache bereitgestellt, was einen Zugriff auf den Ursprungsserver vermeidet. Dies reduziert die Latenz erheblich und verbessert die Ladezeiten.

Es gibt verschiedene Caching-Ebenen, einschließlich Browser-Cache, Proxy-Cache und serverseitigem Cache. Dieser Artikel konzentriert sich auf das Frontend-Caching, insbesondere darauf, wie der integrierte HTTP-Cache des Browsers und der fortschrittlichere Service-Worker-Cache genutzt werden können.

HTTP-Caching: Nutzung der Browser-Fähigkeiten

HTTP-Caching ist der im Browser integrierte Mechanismus zum Speichern und Abrufen von Ressourcen. Es wird durch HTTP-Header gesteuert, die vom Server in der Antwort auf eine Anfrage gesendet werden. Diese Header geben dem Browser Anweisungen, wie lange eine Ressource zwischengespeichert werden soll und unter welchen Bedingungen sie als gültig betrachtet werden soll.

Wichtige HTTP-Cache-Header

• Cache-Control: Dies ist der wichtigste Header zur Steuerung des HTTP-Cachings. Er ermöglicht es Ihnen, verschiedene Anweisungen anzugeben, wie zum Beispiel:
• max-age=Sekunden: Gibt die maximale Zeit an, für die eine Ressource als frisch gilt. Nach dieser Zeit muss der Browser den Cache beim Server revalidieren. Beispiel: Cache-Control: max-age=3600 (für 1 Stunde cachen).
• s-maxage=Sekunden: Ähnlich wie max-age, gilt aber speziell für gemeinsam genutzte Caches wie CDNs. Beispiel: Cache-Control: max-age=3600, s-maxage=86400 (1 Stunde im Browser, 1 Tag im CDN cachen).
• public: Zeigt an, dass die Antwort von jedem Cache zwischengespeichert werden kann, einschließlich gemeinsam genutzter Caches.
• private: Zeigt an, dass die Antwort nur vom Browser und nicht von gemeinsam genutzten Caches zwischengespeichert werden kann. Nützlich für benutzerspezifische Daten.
• no-cache: Zwingt den Browser, den Cache beim Server zu revalidieren, bevor er ihn verwendet, auch wenn er noch frisch ist.
• no-store: Verhindert, dass der Browser die Antwort überhaupt zwischenspeichert.
• Expires: Ein älterer Header, der ein absolutes Datum und eine Uhrzeit angibt, wann die Ressource abläuft. Cache-Control hat im Allgemeinen Vorrang vor Expires, wenn beide vorhanden sind. Beispiel: Expires: Wed, 21 Oct 2024 07:28:00 GMT
• ETag: Ein eindeutiger Identifikator für eine bestimmte Version einer Ressource. Der Browser sendet den ETag im If-None-Match-Request-Header während der Revalidierung. Wenn sich die Ressource nicht geändert hat, gibt der Server eine 304 Not Modified-Antwort zurück, was anzeigt, dass der Browser die zwischengespeicherte Version verwenden kann.
• Last-Modified: Gibt an, wann die Ressource zuletzt geändert wurde. Der Browser sendet das Last-Modified-Datum im If-Modified-Since-Request-Header während der Revalidierung. Ähnlich wie bei ETag kann der Server eine 304 Not Modified-Antwort zurückgeben, wenn sich die Ressource nicht geändert hat.

Praktische Beispiele für HTTP-Caching

Beispiel 1: Caching statischer Assets (Bilder, CSS, JavaScript):

Für statische Assets, die sich selten ändern, können Sie einen langen max-age-Wert festlegen:

            Cache-Control: public, max-age=31536000  

            

              
                Copy
              
            
          

Dies weist den Browser an, die Ressource für ein Jahr (31.536.000 Sekunden) zu cachen und dass sie von jedem Cache zwischengespeichert werden kann (public).

Beispiel 2: Caching dynamischer Inhalte mit Revalidierung:

Für dynamische Inhalte, die sich häufiger ändern, können Sie no-cache zusammen mit ETag oder Last-Modified zur Revalidierung verwenden:

            Cache-Control: no-cache, must-revalidate
ETag: "unique-etag-value"

            

              
                Copy
              
            
          

Dies zwingt den Browser, den Cache beim Server zu revalidieren, bevor er ihn verwendet. Der Server kann dann den ETag verwenden, um festzustellen, ob sich die Ressource geändert hat, und eine 304 Not Modified-Antwort zurückgeben, wenn dies nicht der Fall ist.

Beispiel 3: Bereitstellung versionierter Assets:

Eine gängige Praxis ist es, eine Versionsnummer in den Dateinamen des Assets aufzunehmen (z. B. style.v1.css). Wenn sich das Asset ändert, aktualisieren Sie die Versionsnummer, was den Browser zwingt, die neue Version herunterzuladen. Dies ermöglicht es Ihnen, Assets aggressiv zu cachen, ohne sich Sorgen machen zu müssen, veraltete Inhalte bereitzustellen.

Best Practices für HTTP-Caching

• Verwenden Sie ein CDN: Content Delivery Networks (CDNs) verteilen die Inhalte Ihrer Website auf mehrere Server, die geografisch näher an den Benutzern liegen. Dies reduziert die Latenz und verbessert die Ladezeiten, insbesondere für Benutzer in verschiedenen Teilen der Welt. Beliebte CDNs sind Cloudflare, Akamai und Amazon CloudFront. Eine Website in Japan, die Bilder von einem Server in Europa lädt, wird stark von einem CDN mit Servern in Asien profitieren.
• Nutzen Sie das Browser-Caching: Konfigurieren Sie Ihren Server so, dass er für alle Ihre Ressourcen die passenden HTTP-Cache-Header sendet.
• Verwenden Sie Cache-Busting-Techniken: Wenden Sie Techniken wie Versionierung oder Abfrageparameter an, um Browser zu zwingen, aktualisierte Ressourcen herunterzuladen, wenn sie sich ändern.
• Überwachen Sie die Cache-Performance: Verwenden Sie Browser-Entwicklertools und serverseitige Analysen, um die Cache-Trefferquoten zu überwachen und Bereiche für Verbesserungen zu identifizieren.

Service-Worker-Cache: Erweiterte Kontrolle und Offline-Fähigkeiten

Service Worker sind JavaScript-Dateien, die im Hintergrund laufen, getrennt vom Haupt-Browser-Thread. Sie fungieren als Proxy zwischen dem Browser und dem Netzwerk, was es Ihnen ermöglicht, Netzwerkanfragen abzufangen und erweiterte Caching-Strategien zu implementieren.

Service Worker sind eine Schlüsseltechnologie hinter Progressive Web Apps (PWAs) und ermöglichen Funktionen wie Offline-Zugriff, Push-Benachrichtigungen und Hintergrundsynchronisation.

Wie Service Worker funktionieren

1. Registrierung: Der Service Worker wird von Ihrer Webseite registriert.
2. Installation: Der Service Worker wird im Browser installiert. Hier werden typischerweise wesentliche Ressourcen vorab zwischengespeichert.
3. Aktivierung: Der Service Worker wird aktiv und beginnt, Netzwerkanfragen für Seiten innerhalb seines Geltungsbereichs zu steuern.
4. Abfangen: Der Service Worker fängt Netzwerkanfragen ab und kann wählen, ob er Ressourcen aus dem Cache bereitstellt, sie aus dem Netzwerk abruft oder sogar eine synthetische Antwort erstellt.

Wichtige Service-Worker-APIs für das Caching

• Cache API: Bietet einen Mechanismus zum Speichern und Abrufen zwischengespeicherter Antworten. Sie ermöglicht es Ihnen, benannte Caches zu erstellen und Einträge hinzuzufügen, zu aktualisieren und zu löschen.
• Fetch API: Wird verwendet, um Netzwerkanfragen vom Service Worker aus zu stellen.
• addEventListener('install', ...): Der Event-Handler, der ausgeführt wird, wenn der Service Worker zum ersten Mal installiert wird. Dies wird häufig verwendet, um wichtige Assets vorab zu cachen.
• addEventListener('activate', ...): Der Event-Handler, der ausgeführt wird, wenn der Service Worker aktiv wird. Dies wird häufig verwendet, um alte Caches zu bereinigen.
• addEventListener('fetch', ...): Der Event-Handler, der Netzwerkanfragen abfängt. Hier befindet sich die Caching-Logik.

Caching-Strategien mit Service Workern

Service Worker ermöglichen es Ihnen, verschiedene Caching-Strategien zu implementieren, die auf unterschiedliche Arten von Ressourcen und Netzwerkbedingungen zugeschnitten sind. Hier sind einige gängige Strategien:

• Cache First: Die Ressource immer aus dem Cache bereitstellen, wenn sie verfügbar ist. Wenn sie nicht im Cache ist, aus dem Netzwerk abrufen und für die zukünftige Verwendung im Cache speichern. Dies ist ideal für statische Assets, die sich selten ändern.
• Network First: Immer zuerst versuchen, die Ressource aus dem Netzwerk abzurufen. Wenn das Netzwerk verfügbar ist, die Ressource bereitstellen und den Cache aktualisieren. Wenn das Netzwerk nicht verfügbar ist, die Ressource aus dem Cache bereitstellen. Dies eignet sich für dynamische Inhalte, die so aktuell wie möglich sein müssen.
• Cache, then Network: Die Ressource sofort aus dem Cache bereitstellen und gleichzeitig die neueste Version aus dem Netzwerk abrufen. Den Cache mit der neuen Version aktualisieren, wenn sie ankommt. Dies sorgt für ein schnelles anfängliches Laden und stellt sicher, dass der Benutzer schließlich die neuesten Inhalte erhält.
• Stale-While-Revalidate: Die Ressource sofort aus dem Cache bereitstellen. Im Hintergrund die neueste Version aus dem Netzwerk abrufen und den Cache aktualisieren. Das nächste Mal, wenn die Ressource angefordert wird, wird die aktualisierte Version bereitgestellt. Diese Strategie bietet eine schnelle anfängliche Ladezeit und stellt sicher, dass der Benutzer schließlich immer die aktuellste Version erhält, ohne die ursprüngliche Anfrage zu blockieren.
• Network Only: Die Ressource immer aus dem Netzwerk abrufen. Niemals den Cache verwenden. Dies ist für Ressourcen geeignet, die niemals zwischengespeichert werden sollten, wie z. B. sensible Benutzerdaten.
• Cache Only: Die Ressource immer aus dem Cache bereitstellen. Niemals aus dem Netzwerk abrufen. Dies ist nützlich für Szenarien, in denen Sie sicherstellen möchten, dass die Ressource immer offline verfügbar ist.

Praktische Beispiele für Service-Worker-Caching

Beispiel 1: Cache-First-Strategie für statische Assets:

            self.addEventListener('fetch', event => {
  event.respondWith(
    caches.match(event.request)
      .then(response => {
        // Cache-Treffer - Antwort zurückgeben
        if (response) {
          return response;
        }

        // Nicht im Cache - aus dem Netzwerk abrufen
        return fetch(event.request).then(
          response => {
            // Prüfen, ob wir eine gültige Antwort erhalten haben
            if (!response || response.status !== 200 || response.type !== 'basic') {
              return response;
            }

            // WICHTIG: Die Antwort klonen. Eine Antwort ist ein Stream
            // und da wir wollen, dass sowohl der Browser die Antwort
            // als auch der Cache die Antwort konsumiert, müssen wir
            // sie klonen.
            const responseToCache = response.clone();

            caches.open('my-site-cache')
              .then(cache => {
                cache.put(event.request, responseToCache);
              });

            return response;
          }
        );
      })
  );
});

            

              
                Copy
              
            
          

Dieser Codeausschnitt demonstriert die Cache-First-Strategie. Der Service Worker prüft zunächst, ob die angeforderte Ressource im Cache verfügbar ist. Wenn ja, stellt er die Ressource aus dem Cache bereit. Wenn nicht, ruft er die Ressource aus dem Netzwerk ab, speichert sie im Cache und stellt sie dann dem Browser zur Verfügung.

Beispiel 2: Stale-While-Revalidate-Strategie für dynamische Inhalte:

            self.addEventListener('fetch', event => {
  event.respondWith(
    caches.open('my-site-cache').then(cache => {
      return cache.match(event.request).then(response => {
        const fetchPromise = fetch(event.request).then(networkResponse => {
          cache.put(event.request, networkResponse.clone());
          return networkResponse;
        });
        return response || fetchPromise;
      })
    })
  );
});

            

              
                Copy
              
            
          

Dieser Codeausschnitt demonstriert die Stale-While-Revalidate-Strategie. Der Service Worker stellt die Ressource sofort aus dem Cache bereit. Im Hintergrund ruft er die neueste Version aus dem Netzwerk ab und aktualisiert den Cache. Das nächste Mal, wenn die Ressource angefordert wird, wird die aktualisierte Version bereitgestellt.

Best Practices für das Service-Worker-Caching

• Verwenden Sie eine Caching-Strategie-Bibliothek: Bibliotheken wie Workbox vereinfachen die Service-Worker-Entwicklung, indem sie vorgefertigte Caching-Strategien und Dienstprogramme bereitstellen. Dies kann Ihnen Zeit und Mühe sparen und sicherstellen, dass Ihre Caching-Logik robust und zuverlässig ist.
• Verwalten Sie Cache-Versionen: Wenn Sie Ihren Service Worker aktualisieren, müssen Sie den alten Cache ungültig machen und einen neuen erstellen. Dies verhindert die Bereitstellung veralteter Ressourcen. Verwenden Sie das activate-Ereignis, um alte Caches zu bereinigen.
• Fehler elegant behandeln: Implementieren Sie eine Fehlerbehandlung, um Netzwerkfehler und Cache-Fehlschläge elegant zu handhaben. Stellen Sie Fallback-Inhalte bereit oder informieren Sie den Benutzer, dass die Ressource nicht verfügbar ist.
• Gründlich testen: Testen Sie Ihre Service-Worker-Caching-Logik unter verschiedenen Netzwerkbedingungen und Browser-Umgebungen, um sicherzustellen, dass sie wie erwartet funktioniert. Verwenden Sie Browser-Entwicklertools, um den Cache zu inspizieren und Netzwerkanfragen zu überwachen.
• Berücksichtigen Sie die Benutzererfahrung: Gestalten Sie Ihre Caching-Strategie mit Blick auf die Benutzererfahrung. Geben Sie dem Benutzer Feedback, wenn eine Ressource aus dem Netzwerk oder dem Cache abgerufen wird. Vermeiden Sie es, veraltete Inhalte zu lange bereitzustellen.

Vergleich von HTTP-Cache und Service-Worker-Cache

Obwohl sowohl HTTP-Caching als auch Service-Worker-Caching darauf abzielen, die Website-Performance zu verbessern, unterscheiden sie sich in ihren Fähigkeiten und Anwendungsfällen.

Globale Überlegungen zum Caching

Bei der Implementierung von Caching-Strategien für ein globales Publikum sollten Sie Folgendes berücksichtigen:

• Netzwerkbedingungen: Benutzer in verschiedenen Regionen können unterschiedliche Netzwerkgeschwindigkeiten und -zuverlässigkeiten erfahren. Passen Sie Ihre Caching-Strategie an, um diesen Unterschieden Rechnung zu tragen. Zum Beispiel profitieren Benutzer in Gebieten mit unzuverlässigem Internetzugang stark von einer robusten Offline-Unterstützung.
• CDN-Abdeckung: Wählen Sie ein CDN mit einem globalen Netzwerk von Servern, um sicherzustellen, dass Ihre Inhalte schnell an Benutzer in allen Regionen geliefert werden. Überprüfen Sie, ob das CDN Points of Presence (PoPs) in den für Ihr Publikum kritischen Regionen hat.
• Datenschutz: Beachten Sie die Datenschutzbestimmungen in verschiedenen Ländern, wenn Sie benutzerspezifische Daten zwischenspeichern. Stellen Sie sicher, dass Sie Gesetze wie DSGVO und CCPA einhalten.
• Sprache und Lokalisierung: Erwägen Sie das Caching lokalisierter Versionen Ihrer Website, um Benutzern in verschiedenen Sprachen und Regionen eine bessere Benutzererfahrung zu bieten.
• Cache-Invalidierung: Implementieren Sie eine zuverlässige Strategie zur Cache-Invalidierung, um sicherzustellen, dass Benutzer immer die neuesten Inhalte erhalten, auch wenn diese sich häufig ändern. Achten Sie besonders auf Aktualisierungen lokalisierter Inhalte.

Fazit

Frontend-Caching ist eine wesentliche Technik zur Optimierung der Website-Performance und zur Verbesserung der Benutzererfahrung. Durch die Nutzung von HTTP-Caching und Service-Worker-Caching können Sie die Ladezeiten erheblich verkürzen, die Serverlast reduzieren und Offline-Zugriff auf die Inhalte Ihrer Website ermöglichen. Berücksichtigen Sie bei der Auswahl und Implementierung von Caching-Strategien sorgfältig die spezifischen Bedürfnisse Ihrer Website und Ihrer Zielgruppe. Indem Sie Best Practices anwenden und Ihre Caching-Performance kontinuierlich überwachen, können Sie sicherstellen, dass Ihre Website Benutzern auf der ganzen Welt eine schnelle und zuverlässige Erfahrung bietet.