作者：禅与计算机程序设计艺术
1.简介
随着互联网应用和网站规模的扩大、业务的增长以及移动互联网的发展，网站的运行时间变得越来越慢，用户体验也越来越差。这些问题不仅影响了用户的正常使用，也影响到公司的盈利。因此，如何提升网站的响应速度、改善用户体验、防止服务器宕机等，成为当今企业面临的重要课题。 网站性能优化是一个复杂的课题，涉及前端、后端、数据库、网络设备、操作系统等多个领域。对于那些在不同领域都有经验的高级工程师来说，他们往往可以快速掌握性能优化的技巧，实现网站的全方位提速。然而，普通IT从业者很少有机会接触性能优化相关的内容，只能在项目中实施一些最佳实践，但并不能真正解决遇到的性能瓶颈问题。 因此，本文旨在为一般IT从业者提供一个性能优化相关的参考指南。文章首先介绍网站性能优化的定义和目标，然后详细阐述性能优化的几个重要组成部分——页面渲染优化、静态资源加载优化、数据库访问优化、服务器配置优化、缓存优化、安全防护优化以及云计算平台上的性能优化。通过分析各个部分的优缺点，以及对应的方案，文章力求为读者呈现一个完整的性能优化方案，帮助其在实际工作中更好地应对性能优化这一难题。同时，文章还将介绍高可用的解决方案，阐述其优缺点，以及在实际生产环境中的最佳实践。 文章的适用对象主要是想学习软件架构设计模式、编写高质量的代码，以及管理运维复杂的IT系统的程序员、软件开发人员或系统管理员。
2.背景介绍
网站性能优化（英语：Website Performance Optimization）是指通过调整各种网站的设置和结构，使网站的页面加载速度、交互速度和显示效果达到最佳化，从而让用户在较短的时间内得到良好的浏览体验。它既包括硬件和软件层面的优化，如负载均衡、缓存、压缩、请求合并等；也包括流程和方法论层面的优化，如站点划分、Web应用框架、页面构建方式、静态资源优化、数据库优化等。 网站性能优化通常分为三个阶段：早期调研、设计与实施、维护与迭代。
1.早期调研阶段 网站性能优化的早期调研旨在了解网站的特点和用户群，分析网站的访问情况，制定网站性能优化的策略和指标。主要关注以下几个方面：
用户访问频率：网站的日平均访问次数，月平均访问次数，季度平均访问次数，年度平均访问次数等，可以通过网站流量统计工具获取。
访问类型：网站的主要功能模块的访问次数占比，搜索引擎、直接访问、短链接点击等。
活跃用户数量：网站的活跃用户数，即在一定时间段内进行过活动（例如浏览商品详情页、注册帐号等）的用户数量。
用户反馈：用户对网站的满意程度，网站的整体满意度评价等，通过问卷调查或者调研可以获得。
服务器配置：服务器的硬件配置、网络带宽、内存大小等，可以用来判断服务器的性能。
服务器负载：网站的服务器负载指标，即CPU、内存、IO、网络等利用率。
数据查询效率：数据库查询效率，可以判断数据库的读写能力。
2.设计与实施阶段 网站性能优化的设计与实施是性能优化的主线任务，主要包含以下几个过程：
页面渲染优化：页面的加载时间是性能优化过程中非常关键的一环，通过减少HTTP请求、压缩文件、避免重定向、CSS和JavaScript合并、CSS放在顶部等手段可以提高页面的渲染速度。
静态资源加载优化：静态资源的加载时间取决于多种因素，比如网络带宽、服务器性能等，静态资源的加载时间可以通过将它们预先缓存到距离用户最近的地方或者CDN缓存服务器上来减少访问延迟。
数据库访问优化：对数据库的查询语句进行优化，改善索引、SQL语句的编写、数据表结构的设计、读写分离、垂直拆分、水平拆分等，可以显著提高数据库的查询效率。
服务器配置优化：服务器的配置决定了网站的最大负载能力，因此需要对服务器的配置进行优化，比如根据服务器的CPU核数增加线程数、调整服务器的内存配置、选择合适的硬盘存储介质、优化服务器的文件系统等。
缓存优化：网站的缓存机制能够减少数据库的查询压力、节约服务器的资源开销，提高网站的响应速度。缓存可以缓存整个页面、单个元素、动态生成的数据、压缩过的图像等，通过缓存策略的设置可以优化网站的缓存命中率、减少缓存失效等。
安全防护优化：网站的安全防护主要指保障网站的隐私信息、用户数据的完整性、系统的可用性，并且在发生安全威胁时及时措辞警告、切断攻击源等。网站的安全防护措施主要包括：防范攻击、入侵检测、DDos防护、输入验证、加密传输、访问控制、错误提示信息等。
云计算平台上的性能优化：云计算平台提供了虚拟机、存储、网络等各种基础设施，可以提高服务器的利用率和性能。通过优化云计算平台的硬件配置、虚拟机的分配、网络传输协议、网络带宽等，可以有效提高服务器的资源利用率和性能。
3.核心概念与术语
3.1 页面渲染优化
页面渲染是网站性能优化的核心。对于一个网站的用户来说，他在打开一个网页，看到的第一眼页面就是HTML页面，然后才是CSS样式和JavaScript脚本处理后的动态页面。页面渲染优化就是对HTML、CSS、JavaScript进行优化，使得浏览器在接收到HTML文档后能够尽快解析、渲染和显示出相应的页面给用户。
3.1.1 HTTP缓存
HTTP缓存(HyperText Transfer Protocol Cache) 是指通过缓存代理服务器所保存的资源副本，来减少响应时间和加快页面的装载速度的一种机制。HTTP缓存技术可以缓存静态资源、图片、音频、视频等HTTP响应，它可以减少用户访问服务器的次数，加快页面的打开速度，提高用户体验。HTTP缓存分为私有缓存和共享缓存两种，私有缓存由客户端浏览器维护，缓存持久性不确定；而共享缓存则依赖于网络服务器共同缓存，缓存持久性较高。
3.1.1.1 缓存位置
HTTP缓存可以按照以下三种缓存位置分类：
关闭缓存：关闭缓存的页面每次都会请求服务器返回页面内容，可以看到上一次查看该页面时的缓存标识。关闭缓存的页面的地址以“”结尾。如：https://www.example.com/page
有条件缓存：具有某些条件的页面缓存，只有满足这些条件的页面才会被缓存，否则不会被缓存。如：状态码为200且内容长度大于10KB。
强缓存：可以把资源缓存到本地的缓存，无需再去服务器拉取，直接从缓存中读取。如：Cache-Control: max-age=3600 （缓存时间为一小时）。
3.1.1.2 优劣
缓存虽然可以提高网站的响应速度，但是它也存在着缓存过期、缓存空间不足、缓存穿透等问题。所以，对于一些重要的静态资源，建议采用强制缓存和协商缓存策略。对于其他类型的页面，如首页、列表页、详情页等，建议关闭缓存。具体策略如下：
如果是重要的静态资源，则采用强制缓存和协商缓存策略。
如果不是重要的静态资源，则关闭缓存。
3.1.1.3 强制缓存策略
强制缓存策略是指通过缓存头信息实现的。当浏览器第一次请求某个URL时，服务器会将资源作为响应的一部分返回给浏览器。之后的请求则会从缓存中获取资源，这样就避免了重复的请求，缩短了响应时间。浏览器只要判断缓存是否有效就可以决定是否使用缓存。强制缓存的步骤如下：
浏览器发送 GET 请求，请求的 HEADER 中携带 Cache-control：max-age 参数。
服务器收到请求后，查找资源是否在缓存中，如果资源在缓存中，则找到缓存标识，检查其有效期是否已过，如果未过期，则返回304 Not Modified状态码表示资源未修改，此时浏览器从自己的缓存中获取资源。如果缓存过期或者资源不存在，则继续执行下一步。
服务器找到资源后，将资源添加到缓存，并设置缓存标识，在 HEADER 中返回 max-age 参数。浏览器收到 max-age 参数后，会根据这个参数重新生成缓存标识，并在下次请求时携带上这个缓存标识。
当浏览器再次请求相同的 URL 时，由于资源已经在缓存中，因此无需再请求服务器，而是直接从自己的缓存中获取资源，并显示在页面上。
3.1.1.4 协商缓存策略
协商缓存策略是指客户端缓存策略，在缓存过期前，浏览器通过请求头和响应头来协商缓存是否可用。协商缓存可以使得浏览器在某些情况下不需要从服务器下载资源，可以节省大量的网络带宽和时间。协商缓存的步骤如下：
浏览器发送 GET 请求，请求的 HEADER 中携带 If-Modified-Since 和 Last-Modified 参数。
服务器收到请求后，查看资源是否在缓存中，如果存在缓存，则找到缓存标识，检查其有效期是否已过，如果未过期，则检查If-Modified-Since与Last-Modified的时间戳，如果两者一致，则返回304 Not Modified状态码表示资源未修改，此时浏览器从自己的缓存中获取资源。如果资源不存在或者缓存已过期，则继续执行下一步。
服务器找到资源后，将资源添加到缓存，并设置缓存标识，在 HEADER 中返回 Etag 和 Last-Modified 参数。浏览器收到 Etag 和 Last-Modified 参数后，会根据这两个参数来生成新的缓存标识，并在下次请求时携带上这个缓存标识。
当浏览器再次请求相同的 URL 时，由于资源已经在缓存中，因此无需再请求服务器，而是直接从自己的缓存中获取资源，并显示在页面上。
3.1.1.5 缓存策略总结
缓存策略就是为了尽可能地减少网站的响应时间，提高网站的浏览体验。为了实现缓存策略，主要考虑以下几点：
是否重要的静态资源，如图片、css、js等，则可以使用强制缓存和协商缓存策略。
不重要的静态资源，如html页面、文本等，则关闭缓存。
设置缓存的过期时间，过期时间越长，缓存效果越好，但是也会降低缓存的命中率。
使用ETag和Last-Modified设置缓存标识，可以在304 Not Modified的情况下，减少资源传输的字节数。
使用Vary设置缓存的条件，可以为不同的语言版本设置不同的缓存，进而减少缓存的开销。