使用客户端缓存提高API性能
摘要
在现代应用程序中，性能始终是一个关键的考虑因素。无论是提高响应速度，降低延迟，还是减轻服务器负载，开发者都在寻找各种方法来优化他们的API。在Web开发中，利用客户端缓存是一种有效的方法，可以显著提高API的性能。本文将结合Replicant和Delta，深入探讨如何在.NET中使用客户端缓存，巧妙地提升API的响应速度。
问题概述
尽管数据库已经过优化，但在实际应用中，我们仍然会遇到一些性能瓶颈。例如，当数据库中有数百万条记录时，即使添加了索引，某些查询（如对用户名的部分匹配搜索）仍可能导致响应延迟。在API集成中，每次请求都需要花费较长的时间，这不仅影响用户体验，还会增加服务器的负载。
解决方案概述
为了应对这些性能挑战，我们可以采用以下策略：
- 利用客户端缓存：通过在客户端缓存API响应，减少重复请求，提高响应速度。
- 使用HTTP缓存头：利用HTTP的缓存控制头信息（如
ETag、Cache-Control）来管理缓存，实现高效的数据更新检测。 - 引入辅助库：使用诸如Replicant和Delta这样的库，简化缓存的实现方式，降低开发成本。
接下来，我们将详细探讨如何在.NET中实现上述策略，并提供具体的代码示例。
客户端缓存概述
什么是HTTP缓存头？
HTTP提供了一系列头信息，用于管理缓存行为。这些头信息包括：
- ETag：实体标签，用于标识资源的版本。当资源发生变化时，
ETag也会随之更新。 - Cache-Control：指定缓存策略，如
no-cache、max-age等。 - Last-Modified：指示资源的最后修改时间。
通过合理地设置这些头信息，客户端和服务器可以协同工作，实现高效的缓存机制。
浏览器中的缓存机制
当浏览器发送请求时，如果服务器返回了ETag或Last-Modified等头信息，浏览器会缓存响应。当再次请求相同资源时，浏览器会携带If-None-Match或If-Modified-Since等条件请求头，询问服务器资源是否更新。如果资源未更新，服务器返回304 Not Modified，浏览器直接使用本地缓存的数据。
在HTTP客户端中实现缓存
在非浏览器环境（如使用HttpClient进行API调用）中，实现类似的缓存机制需要额外的工作。幸运的是，Replicant库提供了便利的解决方案。
使用Delta优化服务器端缓存
什么是Delta？
Delta是一个开源的.NET库，通过在数据库中添加一个版本列（如RowVersion）或数据库自带的追踪数据，结合浏览器或客户端的缓存机制，实现高效的数据更新检测。它可以自动处理ETag的生成和验证，简化服务器端的开发工作。
如何使用Delta？
-
安装NuGet包
Install-Package Delta -
配置中间件
在
Startup.cs或Program.cs中，添加Delta的中间件：app.UseDelta<BloggingContext>(); //Delta内置了对EFCore的支持，只要是基于ADO.NET的ORM都可以使用Delta -
修改数据库
-
SQL Server
在相关的数据库表中，添加一个时间戳或版本列，用于跟踪数据的变化。例如，使用
RowVersion列：[Timestamp] public byte[] RowVersion { get; set; } -
PostgreSQL
启用track_commit_timestamp功能
Delta的工作原理
graph LR 请求 计算ETag[根据时间戳<br/>从 WebAssembly 和 SQL<br/>计算当前 ETag] 是否有IfNoneMatch{是否有<br/>If-None-Match<br/>Header?} Etag匹配{当前<br/>ETag与<br/>If-None-Match匹配?} 添加ETag[将当前 ETag<br/>添加到响应头] 304[响应<br/>304 未修改] 请求 --> 计算ETag 计算ETag --> 是否有IfNoneMatch 是否有IfNoneMatch -->|是| Etag匹配 是否有IfNoneMatch -->|否| 添加ETag Etag匹配 -->|否| 添加ETag Etag匹配 -->|是| 304- ETag生成：Delta会根据数据库中的
RowVersion或时间戳列，自动生成ETag。 - 条件请求：当客户端发送请求时，携带
If-None-Match头信息，Delta会根据ETag判断数据是否发生变化。 - 响应优化：如果数据未变化，服务器直接返回
304 Not Modified，客户端可以使用缓存的数据。
使用Delta的优势
- 非侵入式：无需对现有的API进行大量修改，只需简单配置即可。
- 性能提升：在数据未变化的情况下，避免了不必要的数据库查询和数据传输。
- 适用性强：适用于各种类型的API，包括RESTful API、GraphQL等。
使用Replicant实现HTTP客户端缓存
什么是Replicant？
Replicant是由Simon Cropp开发的一个开源.NET库，用于实现HTTP客户端的缓存机制。它利用了与浏览器相同的HTTP缓存头（如ETag、Cache-Control），可以缓存HTTP响应，避免重复请求。
使用Replicant的步骤
-
安装NuGet包
在项目中安装Replicant包：
Install-Package Replicant -
替换HttpClient
Replicant提供了一个包装的
HttpClient，在创建客户端时使用HttpCache：HttpCache cachedClient = HttpCache.Default; -
发送请求
使用
HttpCache发送请求，与普通的HttpClient用法相同：var response = await httpClient.ResponseAsync("https://api.example.com/products"); var content = await response.Content.ReadAsStringAsync();
Replicant的工作原理
- 首次请求：当第一次请求某个资源时，Replicant会将响应的内容和相关的缓存头信息（如
ETag）存储在本地缓存中。 - 后续请求：再次请求相同资源时，Replicant会检查本地缓存的有效性。如果缓存有效，且资源未更新，Replicant会直接返回缓存的内容，避免实际的HTTP请求。
综合示例：提升API集成请求性能
下面，我们将结合Replicant和Delta，提供一个完整的示例，展示如何利用客户端和服务器端缓存，提高API的性能。
后端代码示例
以下是使用Delta库的后端代码示例。该示例中，我们构建了一个简单的博客应用，包含了博客（Blog）和帖子（Post）两个实体。
1. 配置Program.cs
using Delta;
using Microsoft.EntityFrameworkCore;
using System.Text.Json;
using System.Text.Json.Serialization;
using TutorialClientCache.Components;
var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);
builder.AddNpgsqlDbContext<BloggingContext>("mydb");
// 添加服务到容器
builder.Services.AddRazorComponents()
.AddInteractiveWebAssemblyComponents();
builder.Services.AddBootstrapBlazor();
var app = builder.Build();
// 使用Delta中间件
app.UseDelta<BloggingContext>();
// 定义API端点
app.MapGet("/posts", async (string? title, BloggingContext db) =>
{
var query = db.Posts
.Where(p => title == null || p.Title.Contains(title))
.OrderByDescending(p => p.Title)
.ThenBy(p => p.Content)
.Take(10);
return await query.ToListAsync();
});
// 配置HTTP请求管道
if (app.Environment.IsDevelopment())
{
app.UseWebAssemblyDebugging();
}
else
{
app.UseExceptionHandler("/Error", createScopeForErrors: true);
}
app.UseAntiforgery();
app.MapStaticAssets();
app.MapRazorComponents<App>()
.AddInteractiveWebAssemblyRenderMode()
.AddAdditionalAssemblies(typeof(TutorialClientCache.Client._Imports).Assembly);
app.Run();
2. 定义数据上下文和实体
数据上下文 BloggingContext
public class BloggingContext : DbContext
{
public BloggingContext(DbContextOptions<BloggingContext> options)
: base(options)
{
}
public DbSet<Blog> Blogs { get; set; }
public DbSet<Post> Posts { get; set; }
}
实体类 Blog 和 Post
public class Blog
{
public int BlogId { get; set; }
public string Url { get; set; }
public List<Post> Posts { get; } = new List<Post>();
}
public class Post
{
public int PostId { get; set; }
public string Title { get; set; }
public string Content { get; set; }
public int BlogId { get; set; }
public Blog Blog { get; set; }
}
客户端代码示例
由于浏览器HttpClient已经内置客户端缓存逻辑，这里提供一个可以在其他Runtime环境内使用缓存的例子：
// See https://aka.ms/new-console-template for more information
using Replicant;
using System.Diagnostics;
Console.WriteLine("Hello, World!");
string url = "http://localhost:5225/posts?title=CSS";
//warm up
await MeasureHttpClientPerformance(url);
await MeasureHttpCachePerformance(url);
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
var httpClientTime = await MeasureHttpClientPerformance(url);
Console.WriteLine($"HttpClient Time: {httpClientTime} ms");
}
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
var httpCacheTime = await MeasureHttpCachePerformance(url);
Console.WriteLine($"HttpCache Time: {httpCacheTime} ms");
}
static async Task<long> MeasureHttpClientPerformance(string url)
{
using var httpClient = new HttpClient();
var stopwatch = Stopwatch.StartNew();
var response = await httpClient.GetAsync(url);
response.EnsureSuccessStatusCode();
var content = await response.Content.ReadAsStringAsync();
stopwatch.Stop();
return stopwatch.ElapsedMilliseconds;
}
static async Task<long> MeasureHttpCachePerformance(string url)
{
HttpCache cachedClient = HttpCache.Default;
var stopwatch = Stopwatch.StartNew();
var response = await cachedClient.ResponseAsync(url);
response.EnsureSuccessStatusCode();
var content = await response.Content.ReadAsStringAsync();
stopwatch.Stop();
return stopwatch.ElapsedMilliseconds;
}
效果
结论
通过结合使用Delta和Replicant，我们可以在.NET应用程序中有效地利用客户端缓存机制，显著提升API的性能。利用ETag和304 Not Modified等HTTP特性，我们能够减少不必要的网络请求和数据传输，提高应用的响应速度和用户体验。