[.NET] 使用客户端缓存提高API性能

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：

1. 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。
2. 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。
3. 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？

1. 安装NuGet包

   Install-Package Delta
   

2. 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
   

3. 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

1. 安装NuGet包

   在项目中安装Replicant包：

   Install-Package Replicant
   

2. 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;
   

3. 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库和Blazor WebAssembly，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。

参考链接

• Replicant GitHub 仓库
• Delta GitHub 仓库
• HTTP 缓存机制详解
• ASP.NET Core 使用中间件