O cache e o HTTP

Cache e tempo de requisição

Em tempos de alta demanda, o cache pode tornar-se o melhor amigo das aplicações Web. Através dele temos uma opção prática, acessível e barata para melhorar performance, diminuir consumo de recursos e tempos de resposta. Qualquer milissegundo economizado é um ponto a mais com o seu usuário, com os mecanismos de busca e com o seu serviço de hospedagem.

Antes de falarmos de cache em aplicações Django ou Codeigniter, acho interessante falarmos sobre o uso de cache com o protocolo HTTP. Afinal, é esta a primeira camada a “atacar” quando precisamos melhorar os tempos de resposta das nossas aplicações Web.

O que é “caching”?

Segundo Kalid Azad:

Caching is a great example of the ubiquitous time-space tradeoff in programming. You can save time by using space to store results.

Basicamente, caching é o ato de “economizar processamento” armazenando os seus resultados. Um bom exemplo é o temporário do seu navegador, onde uma imagem que não teve alteração desde o momento do seu download é resgatada do seu disco e não da internet. Uma tarefa mais rápida e menos custosa.

Logo, entendemos que o cache é um local em disco ou memória utilizado para armazenar estes resultados. Ele pode se aplicar ao front-end (como ilustrado no exemplo acima), ou ao back-end, através dos servidores Web, como o Apache e o Nginx, ou através de ferramentas mais específicas, como Memcached e Redis.

Assim como a definição de Cookies e sessões, a utilização de cache nos navegadores Web é feita através de informações transmitidas pelo cabeçalho da requisição e resposta.

Existem quatro tipos de cabeçalhos específicos para cache em HTTP. Mas todos partem da premissa que o arquivo em questão (pode ser um documento, imagem, script, etc) já está armazenado no disco do internauta, acessível ao navegador.

Last-Modified

Com o Last-Modified, o navegador informa ao servidor que irá baixar um arquivo desde que a sua data de modificação seja diferente da data do arquivo armazenado. Na requisição é passado o cabeçalho If-Modified-Since, e se a data do arquivo no servidor for mais recente, o navegador faz um novo download.

Vamos fazer uma requisição tendo como resposta um cabeçalho Last-Modified:

$ curl -i -I http://klauslaube.com.br/media/blog/security.jpg

HTTP/1.1 200 OK
...
Date: Tue, 01 May 2012 19:20:27 GMT
Last-Modified: Sat, 07 Apr 2012 17:51:10 GMT
...

Uma vez que o arquivo esteja em disco, o navegador tem como informar a data da última alteração. Então, fazemos uma nova requisição ao arquivo security.jpg, passando esta data no cabeçalho If-Modified-Since:

$ curl -i -H "If-Modified-Since: Sat, 07 Apr 2012 17:51:10 GMT" http://klauslaube.com.br/media/blog/security.jpg

HTTP/1.1 304 Not Modified
Date: Tue, 01 May 2012 19:22:00 GMT
Last-Modified: Sat, 07 Apr 2012 17:51:10 GMT

A resposta “304 Not Modified“ não traz o conteúdo do arquivo em seu corpo, e é através desta resposta que o navegador sabe que não precisa fazer o download do arquivo, utilizando assim a versão que está em seu cache.

ETag

O modo como a ETag funciona é bem parecido com o conceito do Last-Modified. A diferença está no método de comparação: ao invés de fazer comparações pela data, são realizadas comparações através de identificadores únicos, atribuídos aos arquivos envolvidos nas requisições.

Quando trabalhamos com ETag, obtemos respostas com o seguinte cabeçalho:

$ curl -i -I http://localhost/exemplo-cache.html

HTTP/1.1 200 OK
...
Date: Tue, 01 May 2012 19:46:18 GMT
ETag: "2c6b0d8-13-4befe555d6f80"
...

É através do valor 2c6b0d8-13-4befe555d6f80 que navegador e servidor saberão se aquele arquivo em questão já está armazenado em cache. Isso é possível através do cabeçalho If-None-Match, enviado pelo navegador na requisição:

$ curl -i -I -H "If-None-Match: \"2c6b0d8-13-4befe555d6f80\"" http://localhost/exemplo-cache.html

HTTP/1.1 304 Not Modified
Date: Tue, 01 May 2012 19:50:40 GMT
ETag: "2c6b0d8-13-4befe555d6f80"

Uma vez que o valor bata com o identificador do arquivo, o servidor informa ao navegador que não houve alterações. Então, o navegador utiliza a versão do arquivo que está no temporário.

Expires

A grande desvantagem dos dois métodos acima é que necessitamos consultar o servidor para verificar a procedência do arquivo. Com o Expires e max-age a “data de validade” vem junto com a requisição, logo, o navegador já sabe quando o arquivo em seu cache irá expirar, e só voltará a consultar o servidor quando este tempo for alcançado.

Com o Expires, o servidor retorna no cabeçalho da resposta uma data de validade para um determinado arquivo:

$ curl -i -I http://klauslaube.com.br/media/blog/cookies.jpg

HTTP/1.1 200 OK
Date: Tue, 08 May 2012 01:49:13 GMT
...
Expires: Thu, 31 Dec 2037 23:55:55 GMT
...

Solicitando uma nova requisição para este mesmo arquivo, o navegador analisará a data local e a data de expiração. Se a data atual for maior que Expires, aí sim o navegador se comunicará com o servidor Web, e fará um novo download do arquivo.

max-age

Embora o max-age possa parecer um pouco enigmático, ele é (na minha opinião) uma solução mais elegante e fácil de implementar que o Expires.

Com o Expires, temos que informar uma data “absoluta” no cabeçalho, ou seja, somos obrigados a dizer o dia da semana, mês, ano, hora, minuto e até mesmo segundo em que determinado arquivo irá expirar. Logo, temos o trabalho de interpretar a data da requisição (seja no servidor ou na aplicação) adicionando o tempo que desejamos de cache e imprimindo este valor por extenso.

Com o max-age temos a opção de utilizar datas “relativas”, ou seja, podemos dizer ao navegador que o arquivo irá expirar em 1 dia (em segundos):

$ curl -i http://localhost/exemplo-cache.html

HTTP/1.1 200 OK
Date: Mon, 14 May 2012 17:04:29 GMT
...
Cache-Control: max-age=86400, must-revalidate
...

Como você já deve ter reparado, não existe um índice de cabeçalho específico chamado max-age. Ele é na verdade um valor do índice Cache-Control.

O valor must-revalidate solicita aos mecanismos de cache (você pode estar “atrás” de um proxy) o seguinte: Quando o arquivo ultrapassar o max-age, o user-agent deve revalidar o conteúdo junto ao servidor Web. Embora esse seja o comportamento esperado por estes mecanismos, tornar esta informação explícita pode garantir que ferramentas mais “obscuras” sigam este comportamento.

Um pouco sobre o Cache-Control

O Cache-Control foi adicionado na especificação do HTTP 1.1 com a finalidade de contornar as limitações do Expires, e também de melhorar o controle sobre o cache de determinado conteúdo por diferentes tipos de mecanismos.

Além do uso do max-age, é através do Cache-Control que podemos especificar o comportamento de cache para o navegador (private), para algum proxy, servidores intermediários ou requisições HTTPS (public), ou ainda informarmos que não queremos fazer caching do conteúdo (no-cache).

Leia mais sobre Cache-Control.

Vale ressaltar que o Cache-Control tem precedência sobre o Expires.

Qual forma utilizar?

A resposta é: depende do cenário.

Para servir arquivos estáticos, a Webfaction utiliza os cabeçalhos Last-Modified, Expires e max-age, atribuindo aos dois últimos valores absurdos de cache (por exemplo, datas de expiração para o ano de 2037). Isso garante que o seu navegador, proxy ou gateway “nunca esqueça” de uma determina imagem, folha de estilos ou arquivo Javascript.

Mesmo com o uso do max-age, é interessante ter o Expires como alternativa, caso o navegador do internauta não compreenda instruções de Cache-Control. Já a utilização do Last-Modified, segundo o Ask Apache, não é lá muito interessante pois a sua utilização faz com que alguns navegadores ignorem o cabeçalho Expires. Um argumento mais relevante é a eliminação de procedimentos de validação (como o If-Modified-Since e If-None-Match), deixando a cargo apenas do Expires e max-age determinar o tempo de vida do estático em cache.

Em páginas dinâmicas, onde um cache de 5 ou 10 minutos possa ser aplicado, o max-age com Expires é fundamental. Já em páginas que necessitam de um conteúdo em tempo real, ou páginas que utilizam informações de cookies ou sessões, a ausência de cache é justificável.

Em documentos HTML onde o conteúdo é atualizado com uma frequência indeterminada, o uso de Last-Modified ou ETag é mais apropriado. Uma vez que fica difícil determinar quando a atualização irá ocorrer, é uma boa estratégia fazer com que o navegador atualize o conteúdo do seu cache quando necessário.

Considerações Finais

Embora seja um conteúdo bem introdutório, acho fundamental sabermos as diferentes maneiras de aplicar cache com o protocolo HTTP antes de partirmos para soluções específicas. Essas recomendações não são infalíveis, e em um cenário mais “extremo”, necessitam sim de auxílio de algumas ferramentas disponíveis no mercado para tornar o cache eficiente tanto para a experiência do usuário, quanto para a estabilidade dos seus serviços.

Embora eu tenha utilizado o navegador Web como foco das explicações, “robôs”, ferramentas de proxy e gateways também podem fazer controle de cache. O comportamento é basicamente o mesmo, variando de acordo com instruções passadas no cabeçalho Cache-Control.

Como não sou nenhum “expert” no assunto, se você possui alguma sugestão ou correção sobre o uso de cache com HTTP, por favor, conte-nos através dos comentários abaixo.

Até a próxima…

Referências