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HTTP 状态码:客户端与服务器的通信语言——第七部分:高级主题与未来展望(二)

2026-01-29 14:39:52 栏目:最新资讯 6 阅读

第39章:状态码的性能优化

39.1 状态码响应性能分析

39.1.1 响应时间分解

python

# 状态码响应时间分析工具
from typing import Dict, List, Tuple
import time
from dataclasses import dataclass
from enum import Enum
import statistics

class ResponseTimeComponent(Enum):
    """响应时间组件"""
    NETWORK = "network"           # 网络传输时间
    DNS = "dns"                  # DNS解析时间
    SSL = "ssl"                  # TLS握手时间
    QUEUEING = "queueing"        # 请求排队时间
    PROCESSING = "processing"    # 服务器处理时间
    DATABASE = "database"        # 数据库查询时间
    CACHE = "cache"              # 缓存访问时间
    EXTERNAL_API = "external_api" # 外部API调用时间
    SERIALIZATION = "serialization" # 数据序列化时间
    UNKNOWN = "unknown"          # 未知时间

@dataclass
class TimingMeasurement:
    """时间测量"""
    component: ResponseTimeComponent
    start_time: float
    end_time: float
    
    @property
    def duration_ms(self) -> float:
        return (self.end_time - self.start_time) * 1000

@dataclass
class RequestProfile:
    """请求性能剖析"""
    request_id: str
    status_code: int
    total_time_ms: float
    timings: List[TimingMeasurement]
    endpoint: str
    method: str
    
    def get_component_time(self, component: ResponseTimeComponent) -> float:
        """获取组件时间"""
        component_timings = [
            t for t in self.timings 
            if t.component == component
        ]
        return sum(t.duration_ms for t in component_timings)
    
    def get_time_breakdown(self) -> Dict[ResponseTimeComponent, float]:
        """获取时间分解"""
        breakdown = {}
        for component in ResponseTimeComponent:
            time_ms = self.get_component_time(component)
            if time_ms > 0:
                breakdown[component] = time_ms
        return breakdown
    
    def get_percentage_breakdown(self) -> Dict[ResponseTimeComponent, float]:
        """获取百分比分解"""
        breakdown = self.get_time_breakdown()
        if not breakdown or self.total_time_ms == 0:
            return {}
        
        return {
            component: (time_ms / self.total_time_ms) * 100
            for component, time_ms in breakdown.items()
        }

class PerformanceAnalyzer:
    """性能分析器"""
    
    def __init__(self):
        self.profiles: Dict[str, RequestProfile] = {}
        self.status_code_stats: Dict[int, List[RequestProfile]] = {}
        self.endpoint_stats: Dict[str, List[RequestProfile]] = {}
    
    def add_profile(self, profile: RequestProfile):
        """添加性能剖析"""
        self.profiles[profile.request_id] = profile
        
        # 按状态码统计
        if profile.status_code not in self.status_code_stats:
            self.status_code_stats[profile.status_code] = []
        self.status_code_stats[profile.status_code].append(profile)
        
        # 按端点统计
        if profile.endpoint not in self.endpoint_stats:
            self.endpoint_stats[profile.endpoint] = []
        self.endpoint_stats[profile.endpoint].append(profile)
    
    def analyze_by_status_code(self, status_code: int) -> Dict:
        """按状态码分析性能"""
        if status_code not in self.status_code_stats:
            return {}
        
        profiles = self.status_code_stats[status_code]
        return self._analyze_profiles(profiles, f"status_code_{status_code}")
    
    def analyze_by_endpoint(self, endpoint: str) -> Dict:
        """按端点分析性能"""
        if endpoint not in self.endpoint_stats:
            return {}
        
        profiles = self.endpoint_stats[endpoint]
        return self._analyze_profiles(profiles, f"endpoint_{endpoint}")
    
    def _analyze_profiles(self, profiles: List[RequestProfile], group_name: str) -> Dict:
        """分析性能剖析组"""
        if not profiles:
            return {}
        
        total_times = [p.total_time_ms for p in profiles]
        
        # 时间组件分析
        component_times = self._analyze_components(profiles)
        
        # 识别瓶颈
        bottlenecks = self._identify_bottlenecks(component_times)
        
        # 趋势分析
        trends = self._analyze_trends(profiles)
        
        return {
            'group': group_name,
            'count': len(profiles),
            'total_time_stats': {
                'mean': statistics.mean(total_times),
                'median': statistics.median(total_times),
                'p95': self._calculate_percentile(total_times, 95),
                'p99': self._calculate_percentile(total_times, 99),
                'std_dev': statistics.stdev(total_times) if len(total_times) > 1 else 0,
                'min': min(total_times),
                'max': max(total_times)
            },
            'component_analysis': component_times,
            'bottlenecks': bottlenecks,
            'trends': trends,
            'recommendations': self._generate_recommendations(bottlenecks, component_times)
        }
    
    def _analyze_components(self, profiles: List[RequestProfile]) -> Dict:
        """分析时间组件"""
        component_data = {}
        
        for component in ResponseTimeComponent:
            times = []
            percentages = []
            
            for profile in profiles:
                time_ms = profile.get_component_time(component)
                if time_ms > 0:
                    times.append(time_ms)
                    percentages.append(
                        (time_ms / profile.total_time_ms) * 100
                        if profile.total_time_ms > 0 else 0
                    )
            
            if times:
                component_data[component.value] = {
                    'count': len(times),
                    'time_stats': {
                        'mean': statistics.mean(times),
                        'median': statistics.median(times),
                        'p95': self._calculate_percentile(times, 95),
                        'p99': self._calculate_percentile(times, 99)
                    },
                    'percentage_stats': {
                        'mean': statistics.mean(percentages),
                        'median': statistics.median(percentages),
                        'p95': self._calculate_percentile(percentages, 95)
                    }
                }
        
        return component_data
    
    def _identify_bottlenecks(self, component_analysis: Dict) -> List[Dict]:
        """识别瓶颈"""
        bottlenecks = []
        
        for component, data in component_analysis.items():
            time_stats = data['time_stats']
            percentage_stats = data['percentage_stats']
            
            # 检查绝对时间瓶颈
            if time_stats['p95'] > 1000:  # 超过1秒
                bottlenecks.append({
                    'component': component,
                    'type': 'ABSOLUTE_TIME',
                    'value': time_stats['p95'],
                    'threshold': 1000,
                    'severity': 'HIGH' if time_stats['p95'] > 5000 else 'MEDIUM'
                })
            
            # 检查相对时间瓶颈
            if percentage_stats['mean'] > 50:  # 超过50%的时间
                bottlenecks.append({
                    'component': component,
                    'type': 'RELATIVE_TIME',
                    'value': percentage_stats['mean'],
                    'threshold': 50,
                    'severity': 'HIGH' if percentage_stats['mean'] > 80 else 'MEDIUM'
                })
            
            # 检查高方差(不稳定性)
            time_variance = time_stats['p99'] - time_stats['mean']
            if time_variance > time_stats['mean'] * 2:  # 方差超过均值的2倍
                bottlenecks.append({
                    'component': component,
                    'type': 'HIGH_VARIANCE',
                    'value': time_variance,
                    'threshold': time_stats['mean'] * 2,
                    'severity': 'MEDIUM'
                })
        
        # 按严重程度排序
        severity_order = {'HIGH': 0, 'MEDIUM': 1, 'LOW': 2}
        bottlenecks.sort(key=lambda x: severity_order[x['severity']])
        
        return bottlenecks
    
    def _analyze_trends(self, profiles: List[RequestProfile]) -> Dict:
        """分析趋势"""
        if len(profiles) < 10:
            return {}
        
        # 按时间排序
        sorted_profiles = sorted(profiles, key=lambda p: p.timings[0].start_time)
        
        # 计算移动平均
        window_size = min(10, len(sorted_profiles) // 5)
        moving_averages = []
        
        for i in range(len(sorted_profiles) - window_size + 1):
            window = sorted_profiles[i:i + window_size]
            avg_time = statistics.mean(p.total_time_ms for p in window)
            moving_averages.append(avg_time)
        
        # 检测趋势
        trend = self._detect_trend(moving_averages)
        
        return {
            'sample_size': len(sorted_profiles),
            'moving_average_window': window_size,
            'trend': trend,
            'latest_moving_average': moving_averages[-1] if moving_averages else 0
        }
    
    def _detect_trend(self, values: List[float]) -> str:
        """检测趋势"""
        if len(values) < 2:
            return "INSUFFICIENT_DATA"
        
        # 使用线性回归简单判断趋势
        from scipy import stats
        x = list(range(len(values)))
        slope, intercept, r_value, p_value, std_err = stats.linregress(x, values)
        
        if abs(slope) < 0.1:  # 变化很小
            return "STABLE"
        elif slope > 0.5:  # 明显上升
            return "INCREASING"
        elif slope < -0.5:  # 明显下降
            return "DECREASING"
        else:
            return "SLIGHT_CHANGE"
    
    def _generate_recommendations(self, 
                                bottlenecks: List[Dict], 
                                component_analysis: Dict) -> List[str]:
        """生成优化建议"""
        recommendations = []
        
        for bottleneck in bottlenecks:
            component = bottleneck['component']
            
            if component == 'database':
                recommendations.append(
                    f"Database queries are a bottleneck ({bottleneck['value']:.0f}ms). "
                    f"Consider: 1) Adding indexes, 2) Query optimization, "
                    f"3) Implementing caching, 4) Database connection pooling."
                )
            
            elif component == 'external_api':
                recommendations.append(
                    f"External API calls are slow ({bottleneck['value']:.0f}ms). "
                    f"Consider: 1) Implementing timeout and retry logic, "
                    f"2) Adding circuit breaker, 3) Caching responses, "
                    f"4) Async processing if possible."
                )
            
            elif component == 'network':
                recommendations.append(
                    f"Network latency is high ({bottleneck['value']:.0f}ms). "
                    f"Consider: 1) Using CDN, 2) Optimizing payload size, "
                    f"3) HTTP/2 or HTTP/3, 4) Edge computing."
                )
            
            elif component == 'serialization':
                recommendations.append(
                    f"Data serialization is slow ({bottleneck['value']:.0f}ms). "
                    f"Consider: 1) Using binary formats (Protocol Buffers, MessagePack), "
                    f"2) Reducing nested structures, 3) Lazy loading."
                )
            
            elif component == 'processing':
                recommendations.append(
                    f"Server processing time is high ({bottleneck['value']:.0f}ms). "
                    f"Consider: 1) Code profiling and optimization, "
                    f"2) Using more efficient algorithms, "
                    f"3) Parallel processing, 4) Scaling horizontally."
                )
        
        # 基于组件分析的通用建议
        if 'cache' in component_analysis:
            cache_stats = component_analysis['cache']['percentage_stats']
            if cache_stats['mean'] < 10:  # 缓存使用率低
                recommendations.append(
                    "Cache utilization is low. Consider increasing cache hit rate "
                    "through better cache strategies and cache warming."
                )
        
        return recommendations
    
    def _calculate_percentile(self, values: List[float], percentile: float) -> float:
        """计算百分位数"""
        if not values:
            return 0
        
        sorted_values = sorted(values)
        index = (percentile / 100) * (len(sorted_values) - 1)
        
        if index.is_integer():
            return sorted_values[int(index)]
        else:
            lower = sorted_values[int(index)]
            upper = sorted_values[int(index) + 1]
            return lower + (upper - lower) * (index - int(index))
    
    def generate_overall_report(self) -> Dict:
        """生成总体报告"""
        all_profiles = list(self.profiles.values())
        
        # 分析所有状态码
        status_code_analysis = {}
        for code in self.status_code_stats.keys():
            analysis = self.analyze_by_status_code(code)
            if analysis:
                status_code_analysis[code] = analysis
        
        # 分析所有端点
        endpoint_analysis = {}
        for endpoint in self.endpoint_stats.keys():
            analysis = self.analyze_by_endpoint(endpoint)
            if analysis:
                endpoint_analysis[endpoint] = analysis
        
        # 识别最慢的状态码
        slowest_codes = sorted(
            status_code_analysis.items(),
            key=lambda x: x[1]['total_time_stats']['p95'],
            reverse=True
        )[:5]
        
        # 识别最慢的端点
        slowest_endpoints = sorted(
            endpoint_analysis.items(),
            key=lambda x: x[1]['total_time_stats']['p95'],
            reverse=True
        )[:5]
        
        return {
            'summary': {
                'total_requests': len(all_profiles),
                'unique_status_codes': len(status_code_analysis),
                'unique_endpoints': len(endpoint_analysis),
                'avg_response_time': statistics.mean([p.total_time_ms for p in all_profiles]) 
                                    if all_profiles else 0
            },
            'slowest_status_codes': [
                {
                    'status_code': code,
                    'p95_response_time': analysis['total_time_stats']['p95'],
                    'request_count': analysis['count']
                }
                for code, analysis in slowest_codes
            ],
            'slowest_endpoints': [
                {
                    'endpoint': endpoint,
                    'p95_response_time': analysis['total_time_stats']['p95'],
                    'request_count': analysis['count']
                }
                for endpoint, analysis in slowest_endpoints
            ],
            'common_bottlenecks': self._identify_common_bottlenecks(status_code_analysis),
            'performance_trends': self._analyze_overall_trends(all_profiles),
            'optimization_priority': self._calculate_optimization_priority(
                slowest_codes, slowest_endpoints
            )
        }
    
    def _identify_common_bottlenecks(self, status_code_analysis: Dict) -> List[Dict]:
        """识别常见瓶颈"""
        bottleneck_counter = {}
        
        for code, analysis in status_code_analysis.items():
            bottlenecks = analysis.get('bottlenecks', [])
            for bottleneck in bottlenecks:
                component = bottleneck['component']
                if component not in bottleneck_counter:
                    bottleneck_counter[component] = 0
                bottleneck_counter[component] += 1
        
        # 转换为百分比
        total_codes = len(status_code_analysis)
        common_bottlenecks = [
            {
                'component': component,
                'frequency': count,
                'percentage': (count / total_codes) * 100
            }
            for component, count in bottleneck_counter.items()
        ]
        
        # 按频率排序
        common_bottlenecks.sort(key=lambda x: x['frequency'], reverse=True)
        
        return common_bottlenecks
    
    def _analyze_overall_trends(self, profiles: List[RequestProfile]) -> Dict:
        """分析总体趋势"""
        if len(profiles) < 20:
            return {}
        
        # 按状态码分组趋势
        trends_by_code = {}
        for code in self.status_code_stats.keys():
            code_profiles = self.status_code_stats[code]
            if len(code_profiles) >= 10:
                trends = self._analyze_trends(code_profiles)
                if trends:
                    trends_by_code[code] = trends
        
        return {
            'trends_by_status_code': trends_by_code,
            'overall_trend': self._detect_trend(
                [p.total_time_ms for p in sorted(profiles, key=lambda p: p.timings[0].start_time)]
            )
        }
    
    def _calculate_optimization_priority(self, 
                                       slowest_codes: List, 
                                       slowest_endpoints: List) -> List[Dict]:
        """计算优化优先级"""
        priorities = []
        
        # 基于响应时间和请求量计算优先级分数
        for code_info in slowest_codes:
            code = code_info['status_code']
            p95_time = code_info['p95_response_time']
            count = code_info['request_count']
            
            # 优先级分数 = 响应时间 * log(请求量)
            priority_score = p95_time * (1 + (0.1 * count ** 0.5))
            
            priorities.append({
                'type': 'status_code',
                'id': code,
                'p95_response_time': p95_time,
                'request_count': count,
                'priority_score': priority_score,
                'priority_level': self._get_priority_level(priority_score)
            })
        
        for endpoint_info in slowest_endpoints:
            endpoint = endpoint_info['endpoint']
            p95_time = endpoint_info['p95_response_time']
            count = endpoint_info['request_count']
            
            priority_score = p95_time * (1 + (0.1 * count ** 0.5))
            
            priorities.append({
                'type': 'endpoint',
                'id': endpoint,
                'p95_response_time': p95_time,
                'request_count': count,
                'priority_score': priority_score,
                'priority_level': self._get_priority_level(priority_score)
            })
        
        # 按优先级分数排序
        priorities.sort(key=lambda x: x['priority_score'], reverse=True)
        
        return priorities
    
    def _get_priority_level(self, score: float) -> str:
        """获取优先级级别"""
        if score > 10000:
            return 'CRITICAL'
        elif score > 5000:
            return 'HIGH'
        elif score > 1000:
            return 'MEDIUM'
        else:
            return 'LOW'

# 使用示例
analyzer = PerformanceAnalyzer()

# 模拟一些性能数据
import random
from datetime import datetime, timedelta

for i in range(100):
    request_id = f"req_{i}"
    status_code = random.choice([200, 400, 404, 500])
    total_time = random.uniform(50, 5000)
    
    # 创建时间测量
    timings = []
    start = time.time()
    
    # 模拟各个组件的时间
    components = [
        (ResponseTimeComponent.NETWORK, 10, 100),
        (ResponseTimeComponent.PROCESSING, 20, 1000),
        (ResponseTimeComponent.DATABASE, 5, 500),
        (ResponseTimeComponent.CACHE, 1, 50),
        (ResponseTimeComponent.SERIALIZATION, 2, 100)
    ]
    
    current_time = start
    for component, min_time, max_time in components:
        component_time = random.uniform(min_time, max_time) / 1000  # 转换为秒
        timings.append(TimingMeasurement(
            component=component,
            start_time=current_time,
            end_time=current_time + component_time
        ))
        current_time += component_time
    
    profile = RequestProfile(
        request_id=request_id,
        status_code=status_code,
        total_time_ms=total_time,
        timings=timings,
        endpoint=f"/api/resource/{i % 5}",
        method=random.choice(['GET', 'POST', 'PUT', 'DELETE'])
    )
    
    analyzer.add_profile(profile)

# 分析200状态码的性能
analysis_200 = analyzer.analyze_by_status_code(200)
print(f"200响应分析: {analysis_200['count']} 个请求")
print(f"平均响应时间: {analysis_200['total_time_stats']['mean']:.0f}ms")
print(f"P95响应时间: {analysis_200['total_time_stats']['p95']:.0f}ms")

# 生成总体报告
overall_report = analyzer.generate_overall_report()
print(f"
最慢的状态码:")
for code_info in overall_report['slowest_status_codes']:
    print(f"  {code_info['status_code']}: P95={code_info['p95_response_time']:.0f}ms "
          f"({code_info['request_count']} 请求)")

print(f"
优化优先级:")
for priority in overall_report['optimization_priority'][:3]:
    print(f"  {priority['type']} {priority['id']}: {priority['priority_level']} "
          f"(分数: {priority['priority_score']:.0f})")
39.1.2 状态码缓存优化

python

# 状态码响应的缓存优化策略
from typing import Dict, Any, Optional, Tuple
from dataclasses import dataclass
from datetime import datetime, timedelta
import hashlib
import json

class CacheableResponse:
    """可缓存的响应"""
    
    def __init__(self, 
                 status_code: int,
                 headers: Dict[str, str],
                 body: Any,
                 cache_key: str,
                 ttl: timedelta = timedelta(minutes=5)):
        self.status_code = status_code
        self.headers = headers
        self.body = body
        self.cache_key = cache_key
        self.created_at = datetime.now()
        self.expires_at = self.created_at + ttl
        self.hit_count = 0
    
    @property
    def is_expired(self) -> bool:
        return datetime.now() > self.expires_at
    
    @property
    def age(self) -> timedelta:
        return datetime.now() - self.created_at
    
    def record_hit(self):
        """记录命中"""
        self.hit_count += 1
    
    def to_dict(self) -> Dict[str, Any]:
        """转换为字典"""
        return {
            'status_code': self.status_code,
            'headers': self.headers,
            'body': self.body,
            'cache_key': self.cache_key,
            'created_at': self.created_at.isoformat(),
            'expires_at': self.expires_at.isoformat(),
            'hit_count': self.hit_count,
            'age_seconds': self.age.total_seconds()
        }

class StatusCodeCacheStrategy:
    """状态码缓存策略"""
    
    # 不同状态码的默认缓存策略
    DEFAULT_CACHE_TTL = {
        # 成功响应
        200: timedelta(minutes=5),   # 默认5分钟
        201: timedelta(seconds=0),   # POST创建,通常不缓存
        204: timedelta(minutes=1),   # 无内容,短时间缓存
        
        # 重定向
        301: timedelta(days=30),     # 永久重定向,长时间缓存
        302: timedelta(minutes=5),   # 临时重定向
        304: timedelta(minutes=5),   # 未修改,使用缓存
        
        # 客户端错误
        400: timedelta(seconds=0),   # 错误响应不缓存
        401: timedelta(seconds=0),
        403: timedelta(seconds=0),
        404: timedelta(minutes=1),   # 404可短暂缓存,避免重复查询
        
        # 服务器错误
        500: timedelta(seconds=0),   # 错误不缓存
        502: timedelta(seconds=0),
        503: timedelta(seconds=30),  # 服务不可用,短暂缓存避免雪崩
        504: timedelta(seconds=0),
        
        # 自定义状态码
        460: timedelta(minutes=1),   # 缺货状态,短暂缓存
        461: timedelta(minutes=1),   # 库存不足
        520: timedelta(seconds=30),  # 熔断器开启,短暂缓存
    }
    
    # 可缓存的状态码
    CACHEABLE_STATUS_CODES = {
        200, 201, 202, 203, 204, 205, 206,
        300, 301, 302, 303, 304, 305, 306, 307,
        460, 461, 520  # 自定义状态码
    }
    
    @classmethod
    def is_cacheable(cls, status_code: int, method: str) -> bool:
        """检查响应是否可缓存"""
        if method.upper() != 'GET':
            return False
        
        return status_code in cls.CACHEABLE_STATUS_CODES
    
    @classmethod
    def get_ttl_for_status(cls, 
                          status_code: int, 
                          endpoint: str,
                          headers: Dict[str, str]) -> timedelta:
        """获取状态码的TTL"""
        # 首先检查响应头中的缓存控制
        cache_control = headers.get('Cache-Control', '')
        if 'max-age' in cache_control:
            # 解析max-age
            import re
            match = re.search(r'max-age=(d+)', cache_control)
            if match:
                return timedelta(seconds=int(match.group(1)))
        
        # 检查Expires头部
        expires = headers.get('Expires')
        if expires:
            try:
                expires_dt = datetime.fromisoformat(expires.replace('Z', '+00:00'))
                return expires_dt - datetime.now()
            except:
                pass
        
        # 使用基于状态码的默认TTL
        ttl = cls.DEFAULT_CACHE_TTL.get(status_code, timedelta(seconds=0))
        
        # 根据端点调整TTL
        ttl = cls._adjust_ttl_by_endpoint(ttl, endpoint)
        
        return ttl
    
    @classmethod
    def _adjust_ttl_by_endpoint(cls, ttl: timedelta, endpoint: str) -> timedelta:
        """根据端点调整TTL"""
        # 静态资源长时间缓存
        static_extensions = ['.css', '.js', '.png', '.jpg', '.gif', '.ico', '.svg']
        if any(endpoint.endswith(ext) for ext in static_extensions):
            return timedelta(days=30)
        
        # API端点根据路径调整
        if '/api/' in endpoint:
            # 公共API数据可缓存更久
            if '/public/' in endpoint or '/catalog/' in endpoint:
                return max(ttl, timedelta(minutes=30))
            
            # 用户相关数据缓存较短
            if '/user/' in endpoint or '/profile/' in endpoint:
                return min(ttl, timedelta(minutes=1))
        
        return ttl
    
    @classmethod
    def generate_cache_key(cls, 
                          method: str,
                          url: str,
                          headers: Dict[str, str],
                          body: Optional[Any] = None) -> str:
        """生成缓存键"""
        # 基于请求特征生成唯一键
        components = [
            method.upper(),
            url,
            # 规范化头部(只包含影响响应的头部)
            cls._normalize_headers(headers),
        ]
        
        if body:
            if isinstance(body, (dict, list)):
                body_str = json.dumps(body, sort_keys=True)
            else:
                body_str = str(body)
            components.append(body_str)
        
        # 创建哈希
        key_string = '|'.join(str(c) for c in components)
        return hashlib.sha256(key_string.encode()).hexdigest()
    
    @classmethod
    def _normalize_headers(cls, headers: Dict[str, str]) -> str:
        """规范化头部"""
        # 只选择影响响应的头部
        relevant_headers = [
            'Authorization',
            'Accept',
            'Accept-Language',
            'Accept-Encoding',
            'User-Agent',
            'If-None-Match',
            'If-Modified-Since'
        ]
        
        normalized = {}
        for key in relevant_headers:
            if key in headers:
                normalized[key.lower()] = headers[key]
        
        # 排序以确保一致性
        sorted_items = sorted(normalized.items())
        return json.dumps(sorted_items)

class ResponseCache:
    """响应缓存"""
    
    def __init__(self, max_size: int = 10000):
        self.max_size = max_size
        self.cache: Dict[str, CacheableResponse] = {}
        self.hit_count = 0
        self.miss_count = 0
        self.stats_by_status_code: Dict[int, Dict[str, int]] = {}
    
    def get(self, cache_key: str) -> Optional[CacheableResponse]:
        """获取缓存响应"""
        if cache_key in self.cache:
            cached = self.cache[cache_key]
            
            # 检查是否过期
            if cached.is_expired:
                self._remove(cache_key)
                self.miss_count += 1
                return None
            
            # 记录命中
            cached.record_hit()
            self.hit_count += 1
            
            # 更新统计
            self._update_stats(cached.status_code, 'hit')
            
            return cached
        
        self.miss_count += 1
        return None
    
    def set(self, response: CacheableResponse):
        """设置缓存响应"""
        # 检查缓存大小,必要时清理
        if len(self.cache) >= self.max_size:
            self._evict()
        
        # 添加缓存
        self.cache[response.cache_key] = response
        
        # 更新统计
        self._update_stats(response.status_code, 'store')
    
    def _evict(self):
        """清理缓存"""
        # 使用LRU策略
        # 首先移除过期的
        expired_keys = [
            key for key, response in self.cache.items()
            if response.is_expired
        ]
        
        for key in expired_keys:
            self._remove(key)
        
        # 如果仍然需要空间,移除最久未使用的
        if len(self.cache) >= self.max_size:
            # 按最后访问时间排序(简化实现)
            # 在实际中,这里需要维护访问顺序
            keys_to_remove = list(self.cache.keys())[:self.max_size // 10]
            for key in keys_to_remove:
                self._remove(key)
    
    def _remove(self, cache_key: str):
        """移除缓存项"""
        if cache_key in self.cache:
            response = self.cache[cache_key]
            # 更新统计
            self._update_stats(response.status_code, 'evict')
            del self.cache[cache_key]
    
    def _update_stats(self, status_code: int, action: str):
        """更新统计"""
        if status_code not in self.stats_by_status_code:
            self.stats_by_status_code[status_code] = {
                'hit': 0,
                'store': 0,
                'evict': 0
            }
        
        self.stats_by_status_code[status_code][action] += 1
    
    def get_stats(self) -> Dict[str, Any]:
        """获取缓存统计"""
        total_requests = self.hit_count + self.miss_count
        hit_rate = self.hit_count / total_requests if total_requests > 0 else 0
        
        # 计算缓存效率
        efficiency_by_status = {}
        for code, stats in self.stats_by_status_code.items():
            stores = stats.get('store', 0)
            hits = stats.get('hit', 0)
            efficiency = hits / stores if stores > 0 else 0
            efficiency_by_status[code] = efficiency
        
        return {
            'total_items': len(self.cache),
            'max_size': self.max_size,
            'hit_count': self.hit_count,
            'miss_count': self.miss_count,
            'hit_rate': hit_rate,
            'stats_by_status_code': self.stats_by_status_code,
            'efficiency_by_status': efficiency_by_status,
            'oldest_item': min(
                (r.age for r in self.cache.values()),
                default=timedelta(0)
            ).total_seconds(),
            'newest_item': max(
                (r.age for r in self.cache.values()),
                default=timedelta(0)
            ).total_seconds()
        }
    
    def optimize_cache_strategy(self) -> Dict[str, Any]:
        """优化缓存策略"""
        suggestions = []
        
        # 分析缓存效率
        stats = self.get_stats()
        efficiency_by_status = stats['efficiency_by_status']
        
        for code, efficiency in efficiency_by_status.items():
            if efficiency < 0.1:  # 效率低于10%
                suggestions.append({
                    'status_code': code,
                    'efficiency': efficiency,
                    'suggestion': 'Consider reducing TTL or disabling caching'
                })
            elif efficiency > 0.8:  # 效率高于80%
                suggestions.append({
                    'status_code': code,
                    'efficiency': efficiency,
                    'suggestion': 'Consider increasing TTL'
                })
        
        # 分析缓存命中率
        if stats['hit_rate'] < 0.3:
            suggestions.append({
                'type': 'overall',
                'metric': 'hit_rate',
                'value': stats['hit_rate'],
                'suggestion': 'Overall cache hit rate is low. Consider adjusting cache keys or increasing cache size.'
            })
        
        # 分析缓存大小
        utilization = len(self.cache) / self.max_size
        if utilization > 0.9:
            suggestions.append({
                'type': 'size',
                'utilization': utilization,
                'suggestion': 'Cache is nearly full. Consider increasing max_size or improving eviction strategy.'
            })
        
        return {
            'current_stats': stats,
            'suggestions': suggestions,
            'recommended_actions': self._generate_recommended_actions(suggestions)
        }
    
    def _generate_recommended_actions(self, suggestions: List[Dict]) -> List[str]:
        """生成推荐操作"""
        actions = []
        
        for suggestion in suggestions:
            if suggestion.get('type') == 'overall':
                actions.append("Review cache key generation strategy")
                actions.append("Consider implementing multi-level caching")
            
            elif 'status_code' in suggestion:
                code = suggestion['status_code']
                if suggestion['efficiency'] < 0.1:
                    actions.append(f"Reduce TTL for status code {code}")
                elif suggestion['efficiency'] > 0.8:
                    actions.append(f"Increase TTL for status code {code}")
        
        return list(set(actions))  # 去重

# 缓存优化中间件
class CacheOptimizationMiddleware:
    """缓存优化中间件"""
    
    def __init__(self, cache: ResponseCache):
        self.cache = cache
        self.strategy = StatusCodeCacheStrategy()
    
    async def process_request(self, request: Dict) -> Optional[Dict]:
        """处理请求(缓存查找)"""
        # 生成缓存键
        cache_key = self.strategy.generate_cache_key(
            method=request['method'],
            url=request['url'],
            headers=request.get('headers', {}),
            body=request.get('body')
        )
        
        # 检查缓存
        cached_response = self.cache.get(cache_key)
        if cached_response:
            # 检查是否需要验证(ETag/If-None-Match)
            if self._should_validate(request, cached_response):
                # 添加验证头
                request['headers']['If-None-Match'] = self._generate_etag(cached_response)
            
            # 返回缓存响应
            return {
                'from_cache': True,
                'cache_key': cache_key,
                'response': cached_response
            }
        
        return None
    
    async def process_response(self, 
                              request: Dict, 
                              response: Dict) -> Dict:
        """处理响应(缓存存储)"""
        status_code = response['status_code']
        method = request['method']
        
        # 检查是否可缓存
        if not self.strategy.is_cacheable(status_code, method):
            return response
        
        # 生成缓存键
        cache_key = self.strategy.generate_cache_key(
            method=method,
            url=request['url'],
            headers=request.get('headers', {}),
            body=request.get('body')
        )
        
        # 计算TTL
        ttl = self.strategy.get_ttl_for_status(
            status_code=status_code,
            endpoint=request['url'],
            headers=response.get('headers', {})
        )
        
        if ttl.total_seconds() > 0:
            # 创建可缓存响应
            cacheable_response = CacheableResponse(
                status_code=status_code,
                headers=response.get('headers', {}),
                body=response.get('body'),
                cache_key=cache_key,
                ttl=ttl
            )
            
            # 存储到缓存
            self.cache.set(cacheable_response)
            
            # 添加缓存头到响应
            response['headers']['X-Cache'] = 'MISS'
            response['headers']['X-Cache-Key'] = cache_key
            response['headers']['X-Cache-TTL'] = str(int(ttl.total_seconds()))
        
        return response
    
    def _should_validate(self, request: Dict, cached_response: CacheableResponse) -> bool:
        """检查是否需要验证缓存"""
        # 如果有ETag,通常需要验证
        if 'etag' in cached_response.headers:
            return True
        
        # 根据状态码决定
        status_code = cached_response.status_code
        if status_code in [200, 203, 206]:
            return True
        
        return False
    
    def _generate_etag(self, response: CacheableResponse) -> str:
        """生成ETag"""
        # 基于响应内容生成弱ETag
        content_hash = hashlib.md5(
            json.dumps(response.body).encode()
        ).hexdigest()
        
        return f'W/"{content_hash}"'
    
    def get_optimization_report(self) -> Dict[str, Any]:
        """获取优化报告"""
        cache_stats = self.cache.get_stats()
        optimization_suggestions = self.cache.optimize_cache_strategy()
        
        # 计算性能改进
        hit_rate = cache_stats['hit_rate']
        estimated_savings = self._estimate_performance_savings(hit_rate)
        
        return {
            'cache_statistics': cache_stats,
            'optimization_suggestions': optimization_suggestions,
            'performance_impact': estimated_savings,
            'recommended_configuration': self._generate_recommended_configuration()
        }
    
    def _estimate_performance_savings(self, hit_rate: float) -> Dict[str, float]:
        """估计性能节省"""
        # 简化估算
        avg_cache_hit_time = 10  # ms - 缓存命中时间
        avg_miss_time = 200      # ms - 缓存未命中时间(需要完整处理)
        
        total_time_without_cache = avg_miss_time
        total_time_with_cache = (hit_rate * avg_cache_hit_time + 
                                (1 - hit_rate) * avg_miss_time)
        
        time_savings = total_time_without_cache - total_time_with_cache
        percentage_savings = (time_savings / total_time_without_cache) * 100
        
        return {
            'avg_response_time_without_cache_ms': avg_miss_time,
            'avg_response_time_with_cache_ms': total_time_with_cache,
            'time_savings_ms': time_savings,
            'percentage_savings': percentage_savings,
            'estimated_requests_per_second_improvement': 
                (1 / total_time_with_cache * 1000) - (1 / avg_miss_time * 1000)
        }
    
    def _generate_recommended_configuration(self) -> Dict[str, Any]:
        """生成推荐配置"""
        stats = self.cache.get_stats()
        
        # 基于命中率调整缓存大小
        hit_rate = stats['hit_rate']
        if hit_rate > 0.8:
            recommended_size = int(self.cache.max_size * 1.5)
        elif hit_rate < 0.3:
            recommended_size = int(self.cache.max_size * 0.7)
        else:
            recommended_size = self.cache.max_size
        
        # 调整TTL配置
        ttl_adjustments = {}
        for code, efficiency in stats['efficiency_by_status'].items():
            if efficiency < 0.1:
                current_ttl = StatusCodeCacheStrategy.DEFAULT_CACHE_TTL.get(
                    code, timedelta(seconds=0)
                )
                ttl_adjustments[code] = {
                    'current': current_ttl.total_seconds(),
                    'recommended': max(current_ttl.total_seconds() * 0.5, 1)
                }
            elif efficiency > 0.8:
                current_ttl = StatusCodeCacheStrategy.DEFAULT_CACHE_TTL.get(
                    code, timedelta(seconds=0)
                )
                ttl_adjustments[code] = {
                    'current': current_ttl.total_seconds(),
                    'recommended': current_ttl.total_seconds() * 2
                }
        
        return {
            'cache_size': {
                'current': self.cache.max_size,
                'recommended': recommended_size
            },
            'ttl_adjustments': ttl_adjustments,
            'suggested_cacheable_codes': self._suggest_additional_cacheable_codes(stats)
        }
    
    def _suggest_additional_cacheable_codes(self, stats: Dict) -> List[int]:
        """建议额外的可缓存状态码"""
        suggestions = []
        
        # 分析哪些非缓存状态码频繁出现
        # 在实际实现中,这里需要访问历史数据
        
        # 示例:如果404频繁出现且内容相同,建议缓存
        if '404' in stats.get('frequent_errors', []):
            suggestions.append(404)
        
        return suggestions

# 使用示例
cache = ResponseCache(max_size=1000)
middleware = CacheOptimizationMiddleware(cache)

# 模拟处理请求
requests = [
    {
        'method': 'GET',
        'url': '/api/products/123',
        'headers': {'Accept': 'application/json'},
        'body': None
    }
]

for i in range(100):
    request = {
        'method': 'GET',
        'url': f'/api/products/{i % 10}',
        'headers': {'Accept': 'application/json'},
        'body': None
    }
    
    # 检查缓存
    cached = middleware.process_request(request)
    
    if cached:
        print(f"Cache hit for {request['url']}")
        response = cached['response']
    else:
        # 处理请求
        response = {
            'status_code': 200 if i % 20 != 0 else 404,
            'headers': {'Content-Type': 'application/json'},
            'body': {'id': i % 10, 'name': f'Product {i % 10}'}
        }
        
        # 处理响应(可能缓存)
        response = middleware.process_response(request, response)
    
    # 每20个请求显示统计
    if i % 20 == 0 and i > 0:
        stats = cache.get_stats()
        print(f"
After {i} requests:")
        print(f"  Cache hits: {stats['hit_count']}")
        print(f"  Cache misses: {stats['miss_count']}")
        print(f"  Hit rate: {stats['hit_rate']:.2%}")

# 生成优化报告
report = middleware.get_optimization_report()
print(f"
=== Optimization Report ===")
print(f"Cache hit rate: {report['cache_statistics']['hit_rate']:.2%}")
print(f"Estimated time savings: {report['performance_impact']['percentage_savings']:.1f}%")
print(f"
Suggestions:")
for suggestion in report['optimization_suggestions']['suggestions'][:3]:
    print(f"  - {suggestion['suggestion']}")

39.2 状态码传输优化

39.2.1 HTTP/2头部压缩优化

python

# HTTP/2头部压缩优化
from typing import Dict, List, Tuple
import zlib
import brotli

class HeaderCompressionOptimizer:
    """头部压缩优化器"""
    
    def __init__(self):
        self.static_table = self._load_static_table()
        self.dynamic_table = []
        self.dynamic_table_size = 4096  # 默认大小
        self.max_dynamic_table_size = 4096
        
    def _load_static_table(self) -> List[Tuple[str, str]]:
        """加载静态表(HPACK)"""
        # HPACK静态表定义
        return [
            (":authority", ""),
            (":method", "GET"),
            (":method", "POST"),
            (":path", "/"),
            (":path", "/index.html"),
            (":scheme", "http"),
            (":scheme", "https"),
            (":status", "200"),
            (":status", "204"),
            (":status", "206"),
            (":status", "304"),
            (":status", "400"),
            (":status", "404"),
            (":status", "500"),
            ("accept-charset", ""),
            ("accept-encoding", "gzip, deflate"),
            ("accept-language", ""),
            ("accept-ranges", ""),
            ("accept", ""),
            ("access-control-allow-origin", ""),
            ("age", ""),
            ("allow", ""),
            ("authorization", ""),
            ("cache-control", ""),
            ("content-disposition", ""),
            ("content-encoding", ""),
            ("content-language", ""),
            ("content-length", ""),
            ("content-location", ""),
            ("content-range", ""),
            ("content-type", ""),
            ("cookie", ""),
            ("date", ""),
            ("etag", ""),
            ("expect", ""),
            ("expires", ""),
            ("from", ""),
            ("host", ""),
            ("if-match", ""),
            ("if-modified-since", ""),
            ("if-none-match", ""),
            ("if-range", ""),
            ("if-unmodified-since", ""),
            ("last-modified", ""),
            ("link", ""),
            ("location", ""),
            ("max-forwards", ""),
            ("proxy-authenticate", ""),
            ("proxy-authorization", ""),
            ("range", ""),
            ("referer", ""),
            ("refresh", ""),
            ("retry-after", ""),
            ("server", ""),
            ("set-cookie", ""),
            ("strict-transport-security", ""),
            ("transfer-encoding", ""),
            ("user-agent", ""),
            ("vary", ""),
            ("via", ""),
            ("www-authenticate", "")
        ]
    
    def compress_headers(self, 
                        headers: Dict[str, str],
                        use_huffman: bool = True) -> bytes:
        """压缩头部"""
        encoded_headers = []
        
        for name, value in headers.items():
            # 尝试在静态表中查找
            static_index = self._find_in_static_table(name, value)
            
            if static_index is not None:
                # 使用静态表索引
                encoded_headers.append(self._encode_indexed_header(static_index))
            else:
                # 尝试在动态表中查找
                dynamic_index = self._find_in_dynamic_table(name, value)
                
                if dynamic_index is not None:
                    # 使用动态表索引
                    encoded_headers.append(
                        self._encode_indexed_header(
                            dynamic_index + len(self.static_table)
                        )
                    )
                else:
                    # 字面编码
                    encoded_headers.append(
                        self._encode_literal_header(name, value, use_huffman)
                    )
                    
                    # 添加到动态表
                    self._add_to_dynamic_table(name, value)
        
        return b''.join(encoded_headers)
    
    def _find_in_static_table(self, name: str, value: str) -> Optional[int]:
        """在静态表中查找"""
        for i, (n, v) in enumerate(self.static_table):
            if n == name and v == value:
                return i + 1  # HPACK索引从1开始
        return None
    
    def _find_in_dynamic_table(self, name: str, value: str) -> Optional[int]:
        """在动态表中查找"""
        for i, (n, v) in enumerate(self.dynamic_table):
            if n == name and v == value:
                return i
        return None
    
    def _encode_indexed_header(self, index: int) -> bytes:
        """编码索引头部"""
        # HPACK索引头部格式:1xxxxxxx
        return bytes([0x80 | (index & 0x7F)])
    
    def _encode_literal_header(self, 
                              name: str, 
                              value: str, 
                              use_huffman: bool) -> bytes:
        """编码字面头部"""
        # 简化的实现
        # 在实际中,这里需要实现完整的HPACK编码
        
        if use_huffman:
            name_encoded = self._huffman_encode(name)
            value_encoded = self._huffman_encode(value)
        else:
            name_encoded = name.encode('utf-8')
            value_encoded = value.encode('utf-8')
        
        # 编码头部
        encoded = bytearray()
        
        # 名称长度
        encoded.append(len(name_encoded))
        encoded.extend(name_encoded)
        
        # 值长度
        encoded.append(len(value_encoded))
        encoded.extend(value_encoded)
        
        return bytes(encoded)
    
    def _huffman_encode(self, text: str) -> bytes:
        """Huffman编码(简化)"""
        # 在实际中,这里需要使用HPACK的Huffman表
        return text.encode('utf-8')
    
    def _add_to_dynamic_table(self, name: str, value: str):
        """添加到动态表"""
        entry_size = len(name) + len(value) + 32  # 估算大小
        
        # 检查空间
        while (self._calculate_dynamic_table_size() + entry_size > 
               self.max_dynamic_table_size):
            if self.dynamic_table:
                self.dynamic_table.pop(0)
            else:
                break
        
        # 添加新条目
        self.dynamic_table.append((name, value))
    
    def _calculate_dynamic_table_size(self) -> int:
        """计算动态表大小"""
        total = 0
        for name, value in self.dynamic_table:
            total += len(name) + len(value) + 32  # 估算的开销
        return total
    
    def analyze_header_patterns(self, 
                               request_logs: List[Dict]) -> Dict[str, any]:
        """分析头部模式"""
        header_frequency = {}
        header_value_patterns = {}
        
        for log in request_logs:
            headers = log.get('headers', {})
            
            for name, value in headers.items():
                # 统计头部频率
                if name not in header_frequency:
                    header_frequency[name] = 0
                header_frequency[name] += 1
                
                # 分析值模式
                if name not in header_value_patterns:
                    header_value_patterns[name] = {}
                
                if value not in header_value_patterns[name]:
                    header_value_patterns[name][value] = 0
                header_value_patterns[name][value] += 1
        
        # 找出最常用的头部
        common_headers = sorted(
            header_frequency.items(),
            key=lambda x: x[1],
            reverse=True
        )[:20]
        
        # 分析值分布
        value_distribution = {}
        for name, patterns in header_value_patterns.items():
            total = sum(patterns.values())
            if total > 10:  # 足够样本
                most_common = max(patterns.items(), key=lambda x: x[1])
                value_distribution[name] = {
                    'total_values': len(patterns),
                    'most_common_value': most_common[0],
                    'most_common_percentage': most_common[1] / total,
                    'entropy': self._calculate_entropy(patterns.values())
                }
        
        return {
            'common_headers': common_headers,
            'value_distribution': value_distribution,
            'compression_opportunities': self._identify_compression_opportunities(
                common_headers, value_distribution
            )
        }
    
    def _calculate_entropy(self, frequencies: List[int]) -> float:
        """计算熵"""
        import math
        
        total = sum(frequencies)
        if total == 0:
            return 0
        
        entropy = 0
        for freq in frequencies:
            probability = freq / total
            if probability > 0:
                entropy -= probability * math.log2(probability)
        
        return entropy
    
    def _identify_compression_opportunities(self,
                                          common_headers: List[Tuple[str, int]],
                                          value_distribution: Dict) -> List[Dict]:
        """识别压缩机会"""
        opportunities = []
        
        for name, frequency in common_headers:
            if name in value_distribution:
                dist = value_distribution[name]
                
                # 高频率且低熵的值是好的压缩候选
                if (frequency > 100 and 
                    dist['most_common_percentage'] > 0.8 and
                    dist['entropy'] < 1.0):
                    
                    opportunities.append({
                        'header': name,
                        'frequency': frequency,
                        'most_common_value': dist['most_common_value'],
                        'value_consistency': dist['most_common_percentage'],
                        'entropy': dist['entropy'],
                        'compression_potential': self._estimate_compression_potential(
                            name, dist['most_common_value'], frequency
                        )
                    })
        
        return sorted(opportunities, 
                     key=lambda x: x['compression_potential'], 
                     reverse=True)
    
    def _estimate_compression_potential(self, 
                                       name: str, 
                                       value: str, 
                                       frequency: int) -> float:
        """估计压缩潜力"""
        # 原始大小
        original_size = (len(name) + len(value)) * frequency
        
        # 压缩后大小(估计)
        # 使用静态表:1字节
        # 使用动态表:~5字节
        # 字面编码:~10+字节
        
        if self._find_in_static_table(name, value):
            compressed_size = frequency * 1
        elif frequency > 10:
            compressed_size = frequency * 5  # 动态表
        else:
            compressed_size = frequency * (len(name) + len(value) + 2)
        
        savings = original_size - compressed_size
        return savings
    
    def optimize_compression_strategy(self, 
                                     analysis: Dict) -> Dict[str, any]:
        """优化压缩策略"""
        recommendations = []
        
        # 基于常见头部调整静态表
        common_headers = analysis['common_headers'][:10]
        static_table_candidates = [
            {'header': name, 'frequency': freq}
            for name, freq in common_headers
            if freq > 1000  # 非常常见的头部
        ]
        
        if static_table_candidates:
            recommendations.append({
                'type': 'static_table_extension',
                'candidates': static_table_candidates,
                'estimated_savings': sum(
                    c['frequency'] * 10  # 每个头部节省约10字节
                    for c in static_table_candidates
                )
            })
        
        # 调整动态表大小
        current_size = self.max_dynamic_table_size
        suggested_size = self._calculate_optimal_table_size(analysis)
        
        if suggested_size != current_size:
            recommendations.append({
                'type': 'dynamic_table_size',
                'current': current_size,
                'suggested': suggested_size,
                'reason': 'Based on header pattern analysis'
            })
        
        # Huffman编码优化
        low_entropy_headers = [
            opp for opp in analysis['compression_opportunities']
            if opp['entropy'] < 0.5
        ]
        
        if low_entropy_headers:
            recommendations.append({
                'type': 'huffman_optimization',
                'headers': low_entropy_headers[:5],
                'suggestion': 'These headers have low entropy values, '
                            'Huffman coding would be highly effective'
            })
        
        return {
            'current_configuration': {
                'static_table_size': len(self.static_table),
                'dynamic_table_size': self.max_dynamic_table_size,
                'use_huffman': True
            },
            'recommendations': recommendations,
            'estimated_overall_savings': sum(
                r.get('estimated_savings', 0) for r in recommendations
            )
        }
    
    def _calculate_optimal_table_size(self, analysis: Dict) -> int:
        """计算最优表大小"""
        # 基于头部频率和值分布
        total_headers = sum(freq for _, freq in analysis['common_headers'])
        
        if total_headers > 10000:
            return 8192  # 8KB
        elif total_headers > 1000:
            return 4096  # 4KB
        else:
            return 2048  # 2KB

# HTTP/3 QPACK优化
class QPACKOptimizer:
    """QPACK优化器(HTTP/3)"""
    
    def __init__(self):
        self.static_table = self._load_qpack_static_table()
        self.dynamic_table = []
        self.max_table_capacity = 0
        self.blocked_streams_allowed = True
        
    def _load_qpack_static_table(self) -> List[Tuple[str, str]]:
        """加载QPACK静态表"""
        # QPACK静态表与HPACK类似,但有些扩展
        table = []
        
        # 状态码条目
        for code in range(100, 600):
            table.append((":status", str(code)))
        
        # 常见头部
        common_headers = [
            ("content-type", "application/json"),
            ("content-type", "text/html"),
            ("content-type", "application/javascript"),
            ("cache-control", "max-age=3600"),
            ("cache-control", "no-cache"),
            ("authorization", "Bearer"),
            ("user-agent", "Mozilla/5.0"),
            ("accept-encoding", "gzip, br"),
        ]
        
        table.extend(common_headers)
        return table
    
    def optimize_for_stream(self, 
                           stream_id: int,
                           headers: Dict[str, str]) -> Dict[str, any]:
        """为特定流优化"""
        # QPACK支持每个流独立的动态表引用
        stream_optimization = {
            'stream_id': stream_id,
            'suggested_encodings': [],
            'table_references': [],
            'estimated_size': 0
        }
        
        for name, value in headers.items():
            encoding = self._suggest_encoding(name, value, stream_id)
            stream_optimization['suggested_encodings'].append(encoding)
            stream_optimization['estimated_size'] += encoding['estimated_size']
        
        return stream_optimization
    
    def _suggest_encoding(self, 
                         name: str, 
                         value: str, 
                         stream_id: int) -> Dict[str, any]:
        """建议编码策略"""
        # 检查静态表
        static_index = self._find_in_qpack_static_table(name, value)
        if static_index is not None:
            return {
                'type': 'static_reference',
                'index': static_index,
                'estimated_size': 1,  # 1字节
                'efficiency': 'high'
            }
        
        # 检查动态表
        dynamic_index = self._find_in_dynamic_table(name, value)
        if dynamic_index is not None:
            return {
                'type': 'dynamic_reference',
                'index': dynamic_index,
                'estimated_size': 2,  # 约2字节
                'efficiency': 'medium'
            }
        
        # 检查名称引用
        name_index = self._find_name_in_tables(name)
        if name_index is not None:
            return {
                'type': 'name_reference',
                'index': name_index,
                'value': value,
                'estimated_size': len(value) + 2,  # 值长度+开销
                'efficiency': 'low'
            }
        
        # 字面编码
        return {
            'type': 'literal',
            'name': name,
            'value': value,
            'estimated_size': len(name) + len(value) + 4,  # 名称+值+开销
            'efficiency': 'very_low'
        }
    
    def _find_in_qpack_static_table(self, name: str, value: str) -> Optional[int]:
        """在QPACK静态表中查找"""
        for i, (n, v) in enumerate(self.static_table):
            if n == name and v == value:
                return i
        return None
    
    def _find_in_dynamic_table(self, name: str, value: str) -> Optional[int]:
        """在动态表中查找"""
        for i, (n, v) in enumerate(self.dynamic_table):
            if n == name and v == value:
                return i
        return None
    
    def _find_name_in_tables(self, name: str) -> Optional[int]:
        """在表中查找名称"""
        # 检查静态表
        for i, (n, _) in enumerate(self.static_table):
            if n == name:
                return i
        
        # 检查动态表
        for i, (n, _) in enumerate(self.dynamic_table):
            if n == name:
                return i + len(self.static_table)
        
        return None

# 综合优化器
class HTTPHeaderOptimizer:
    """HTTP头部综合优化器"""
    
    def __init__(self):
        self.hpack_optimizer = HeaderCompressionOptimizer()
        self.qpack_optimizer = QPACKOptimizer()
        self.protocol_analytics = {}
        
    def analyze_protocol_performance(self,
                                    http_version: str,
                                    request_logs: List[Dict]) -> Dict[str, any]:
        """分析协议性能"""
        # 分析头部压缩效率
        header_analysis = self.hpack_optimizer.analyze_header_patterns(request_logs)
        
        # 计算理论压缩比
        total_original_size = 0
        total_compressed_size = 0
        
        for log in request_logs:
            headers = log.get('headers', {})
            
            # 原始大小
            for name, value in headers.items():
                total_original_size += len(name) + len(value)
            
            # 压缩大小(估算)
            compressed = self.hpack_optimizer.compress_headers(headers)
            total_compressed_size += len(compressed)
        
        compression_ratio = total_compressed_size / total_original_size if total_original_size > 0 else 0
        
        # 协议特定建议
        protocol_suggestions = self._generate_protocol_suggestions(
            http_version, header_analysis, compression_ratio
        )
        
        return {
            'http_version': http_version,
            'compression_ratio': compression_ratio,
            'estimated_bandwidth_savings': total_original_size - total_compressed_size,
            'header_analysis': header_analysis,
            'protocol_suggestions': protocol_suggestions,
            'migration_recommendation': self._evaluate_protocol_migration(
                http_version, compression_ratio
            )
        }
    
    def _generate_protocol_suggestions(self,
                                      http_version: str,
                                      header_analysis: Dict,
                                      compression_ratio: float) -> List[Dict]:
        """生成协议特定建议"""
        suggestions = []
        
        if http_version == 'HTTP/1.1':
            if compression_ratio > 0.7:  # 压缩率低
                suggestions.append({
                    'type': 'protocol_upgrade',
                    'suggestion': 'Consider upgrading to HTTP/2 for better header compression',
                    'priority': 'high'
                })
            
            # 头部合并建议
            suggestions.append({
                'type': 'header_consolidation',
                'suggestion': 'Consolidate multiple Set-Cookie headers into one',
                'priority': 'medium'
            })
        
        elif http_version == 'HTTP/2':
            if compression_ratio > 0.5:  # 仍有改进空间
                suggestions.append({
                    'type': 'hpack_optimization',
                    'suggestion': 'Optimize HPACK dynamic table size based on header patterns',
                    'priority': 'medium'
                })
            
            # 服务器推送优化
            suggestions.append({
                'type': 'server_push_optimization',
                'suggestion': 'Use server push for common resources referenced in responses',
                'priority': 'low'
            })
        
        elif http_version == 'HTTP/3':
            if compression_ratio > 0.4:
                suggestions.append({
                    'type': 'qpack_optimization',
                    'suggestion': 'Optimize QPACK configuration for better stream independence',
                    'priority': 'medium'
                })
        
        # 通用优化
        opportunities = header_analysis.get('compression_opportunities', [])
        if opportunities:
            suggestions.append({
                'type': 'header_value_optimization',
                'suggestion': 'Standardize header values to improve compression',
                'examples': [opp['header'] for opp in opportunities[:3]],
                'priority': 'high'
            })
        
        return suggestions
    
    def _evaluate_protocol_migration(self,
                                    current_version: str,
                                    compression_ratio: float) -> Optional[Dict]:
        """评估协议迁移建议"""
        if current_version == 'HTTP/1.1' and compression_ratio > 0.6:
            return {
                'recommended_protocol': 'HTTP/2',
                'expected_improvement': f"{(1 - 0.3/compression_ratio)*100:.1f}%",  # 估算
                'complexity': 'medium',
                'prerequisites': ['TLS 1.2+', 'Modern client support']
            }
        
        elif current_version == 'HTTP/2' and compression_ratio > 0.4:
            return {
                'recommended_protocol': 'HTTP/3',
                'expected_improvement': f"{(1 - 0.2/compression_ratio)*100:.1f}%",  # 估算
                'complexity': 'high',
                'prerequisites': ['QUIC support', 'Updated infrastructure']
            }
        
        return None
    
    def generate_optimization_plan(self,
                                  analysis_results: Dict) -> Dict[str, any]:
        """生成优化计划"""
        plan = {
            'immediate_actions': [],
            'short_term_actions': [],
            'long_term_actions': [],
            'expected_benefits': {},
            'implementation_complexity': {}
        }
        
        # 分类建议
        for suggestion in analysis_results.get('protocol_suggestions', []):
            priority = suggestion.get('priority', 'medium')
            
            if priority == 'high':
                plan['immediate_actions'].append(suggestion)
            elif priority == 'medium':
                plan['short_term_actions'].append(suggestion)
            else:
                plan['long_term_actions'].append(suggestion)
        
        # 迁移建议
        migration = analysis_results.get('migration_recommendation')
        if migration:
            plan['long_term_actions'].append({
                'type': 'protocol_migration',
                'suggestion': f"Migrate to {migration['recommended_protocol']}",
                'details': migration
            })
        
        # 计算预期收益
        plan['expected_benefits'] = self._calculate_expected_benefits(plan, analysis_results)
        
        # 评估实现复杂度
        plan['implementation_complexity'] = self._assess_complexity(plan)
        
        return plan
    
    def _calculate_expected_benefits(self,
                                   plan: Dict,
                                   analysis: Dict) -> Dict[str, float]:
        """计算预期收益"""
        benefits = {
            'bandwidth_reduction_percentage': 0,
            'latency_reduction_ms': 0,
            'throughput_increase_percentage': 0
        }
        
        # 基于压缩比估算
        compression_ratio = analysis.get('compression_ratio', 1)
        
        # 头部压缩收益
        if compression_ratio < 1:
            bandwidth_reduction = (1 - compression_ratio) * 100
            
            # 应用优化乘数
            optimization_multiplier = 1.0
            if plan['immediate_actions']:
                optimization_multiplier *= 0.8  # 20%额外改进
            if plan['short_term_actions']:
                optimization_multiplier *= 0.9  # 10%额外改进
            
            benefits['bandwidth_reduction_percentage'] = bandwidth_reduction * optimization_multiplier
            
            # 延迟收益(估算)
            avg_header_size = 500  # 字节
            network_speed = 10  # Mbps
            latency_reduction = (avg_header_size * (1 - compression_ratio) * 8) / (network_speed * 1000)
            benefits['latency_reduction_ms'] = latency_reduction * 1000  # 转换为毫秒
        
        # 协议迁移收益
        migration = analysis.get('migration_recommendation')
        if migration:
            expected_improvement = migration.get('expected_improvement', '0%')
            improvement = float(expected_improvement.strip('%'))
            benefits['throughput_increase_percentage'] += improvement
        
        return benefits
    
    def _assess_complexity(self, plan: Dict) -> Dict[str, str]:
        """评估实现复杂度"""
        complexity = {
            'overall': 'low',
            'immediate_actions': 'low',
            'short_term_actions': 'medium',
            'long_term_actions': 'high'
        }
        
        # 基于行动类型调整
        for category in ['immediate_actions', 'short_term_actions', 'long_term_actions']:
            actions = plan[category]
            if actions:
                # 检查是否有复杂行动
                complex_actions = [a for a in actions if a.get('type') in 
                                 ['protocol_migration', 'protocol_upgrade']]
                if complex_actions:
                    complexity[category] = 'high'
        
        # 总体复杂度
        if complexity['long_term_actions'] == 'high':
            complexity['overall'] = 'medium'
        if complexity['short_term_actions'] == 'high':
            complexity['overall'] = 'high'
        
        return complexity

# 使用示例
optimizer = HTTPHeaderOptimizer()

# 模拟请求日志
request_logs = []
for i in range(100):
    request_logs.append({
        'headers': {
            'user-agent': 'Mozilla/5.0',
            'accept': 'application/json',
            'content-type': 'application/json',
            'authorization': 'Bearer token123',
            'cache-control': 'no-cache'
        }
    })

# 分析性能
analysis = optimizer.analyze_protocol_performance('HTTP/1.1', request_logs)

print(f"Compression ratio: {analysis['compression_ratio']:.2%}")
print(f"Bandwidth savings: {analysis['estimated_bandwidth_savings']:,} bytes")

# 生成优化计划
plan = optimizer.generate_optimization_plan(analysis)

print("
=== Optimization Plan ===")
print(f"Immediate actions ({len(plan['immediate_actions'])}):")
for action in plan['immediate_actions']:
    print(f"  - {action['suggestion']}")

print(f"
Expected benefits:")
for benefit, value in plan['expected_benefits'].items():
    print(f"  {benefit}: {value}")
39.2.2 状态码的CDN优化

python

# CDN状态码优化策略
from typing import Dict, List, Optional, Set
from dataclasses import dataclass
from datetime import datetime, timedelta
import hashlib

@dataclass
class CDNEdgeConfig:
    """CDN边缘节点配置"""
    location: str
    cache_ttl: Dict[int, int]  # 状态码 -> TTL(秒)
    stale_while_revalidate: bool
    stale_if_error: bool
    compression_enabled: bool
    brotli_enabled: bool
    
    @classmethod
    def default_config(cls) -> 'CDNEdgeConfig':
        """默认配置"""
        return cls(
            location='global',
            cache_ttl={
                200: 3600,    # 1小时
                201: 0,       # 不缓存
                204: 300,     # 5分钟
                301: 2592000, # 30天
                302: 300,     # 5分钟
                304: 300,     # 5分钟
                404: 60,      # 1分钟
                500: 0,       # 不缓存
                502: 0,
                503: 30,      # 30秒(服务不可用)
                504: 0,
                460: 60,      # 1分钟(缺货)
                520: 30       # 30秒(熔断)
            },
            stale_while_revalidate=True,
            stale_if_error=True,
            compression_enabled=True,
            brotli_enabled=True
        )

@dataclass
class CDNCacheKey:
    """CDN缓存键"""
    url: str
    status_code: int
    vary_headers: Dict[str, str]
    geo_location: Optional[str]
    device_type: Optional[str]
    
    def generate_key(self) -> str:
        """生成缓存键"""
        components = [
            self.url,
            str(self.status_code),
            # 规范化vary头部
            self._normalize_vary_headers(),
            self.geo_location or '',
            self.device_type or ''
        ]
        
        key_string = '|'.join(components)
        return hashlib.md5(key_string.encode()).hexdigest()
    
    def _normalize_vary_headers(self) -> str:
        """规范化Vary头部"""
        sorted_items = sorted(self.vary_headers.items())
        return ';'.join(f"{k}:{v}" for k, v in sorted_items)

class CDNOptimizer:
    """CDN优化器"""
    
    def __init__(self, edge_config: CDNEdgeConfig):
        self.edge_config = edge_config
        self.cache_analytics = {}
        self.hit_rate_by_status: Dict[int, Dict[str, float]] = {}
        
    def generate_cache_headers(self, 
                              status_code: int,
                              content_type: str,
                              is_public: bool = True) -> Dict[str, str]:
        """生成缓存头部"""
        headers = {}
        
        # Cache-Control
        cache_control = []
        
        ttl = self.edge_config.cache_ttl.get(status_code, 0)
        
        if ttl > 0:
            if is_public:
                cache_control.append(f"public")
                cache_control.append(f"max-age={ttl}")
            else:
                cache_control.append(f"private")
                cache_control.append(f"max-age={ttl}")
            
            # Stale-while-revalidate
            if self.edge_config.stale_while_revalidate:
                cache_control.append(f"stale-while-revalidate={ttl//2}")
            
            # Stale-if-error
            if self.edge_config.stale_if_error:
                cache_control.append(f"stale-if-error={ttl*2}")
        else:
            cache_control.append("no-cache")
            cache_control.append("must-revalidate")
        
        headers['Cache-Control'] = ', '.join(cache_control)
        
        # Expires(向后兼容)
        if ttl > 0:
            expires = datetime.utcnow() + timedelta(seconds=ttl)
            headers['Expires'] = expires.strftime('%a, %d %b %Y %H:%M:%S GMT')
        
        # Vary头部
        vary_headers = ['Accept-Encoding']
        if content_type.startswith('text/html'):
            vary_headers.append('User-Agent')
        
        headers['Vary'] = ', '.join(vary_headers)
        
        # CDN特定头部
        headers['X-CDN-Cacheable'] = 'YES' if ttl > 0 else 'NO'
        headers['X-CDN-TTL'] = str(ttl)
        
        return headers
    
    def analyze_cache_performance(self,
                                access_logs: List[Dict]) -> Dict[str, any]:
        """分析缓存性能"""
        # 初始化统计
        total_by_status = {}
        hit_by_status = {}
        miss_by_status = {}
        
        for log in access_logs:
            status = log.get('status_code')
            cache_status = log.get('cache_status', 'MISS')
            
            if status not in total_by_status:
                total_by_status[status] = 0
                hit_by_status[status] = 0
                miss_by_status[status] = 0
            
            total_by_status[status] += 1
            
            if cache_status == 'HIT':
                hit_by_status[status] += 1
            else:
                miss_by_status[status] += 1
        
        # 计算命中率
        hit_rate_by_status = {}
        for status in total_by_status:
            total = total_by_status[status]
            hits = hit_by_status.get(status, 0)
            hit_rate = hits / total if total > 0 else 0
            hit_rate_by_status[status] = hit_rate
        
        # 识别优化机会
        optimization_opportunities = self._identify_optimization_opportunities(
            hit_rate_by_status, total_by_status
        )
        
        # 计算潜在收益
        potential_savings = self._calculate_potential_savings(
            total_by_status, hit_rate_by_status, optimization_opportunities
        )
        
        return {
            'total_requests_by_status': total_by_status,
            'hit_rate_by_status': hit_rate_by_status,
            'optimization_opportunities': optimization_opportunities,
            'potential_savings': potential_savings,
            'current_configuration': {
                'cache_ttl': self.edge_config.cache_ttl,
                'stale_while_revalidate': self.edge_config.stale_while_revalidate,
                'stale_if_error': self.edge_config.stale_if_error
            }
        }
    
    def _identify_optimization_opportunities(self,
                                           hit_rate_by_status: Dict[int, float],
                                           total_by_status: Dict[int, int]) -> List[Dict]:
        """识别优化机会"""
        opportunities = []
        
        for status, hit_rate in hit_rate_by_status.items():
            total = total_by_status[status]
            current_ttl = self.edge_config.cache_ttl.get(status, 0)
            
            # 低命中率但高频率
            if hit_rate < 0.3 and total > 100:
                opportunities.append({
                    'status_code': status,
                    'current_hit_rate': hit_rate,
                    'request_count': total,
                    'current_ttl': current_ttl,
                    'issue': 'Low cache hit rate despite high traffic',
                    'suggestion': 'Consider increasing TTL or reviewing cache keys'
                })
            
            # 高命中率但短TTL
            elif hit_rate > 0.8 and current_ttl < 300 and total > 50:
                opportunities.append({
                    'status_code': status,
                    'current_hit_rate': hit_rate,
                    'request_count': total,
                    'current_ttl': current_ttl,
                    'issue': 'High hit rate with short TTL',
                    'suggestion': f"Increase TTL from {current_ttl}s to {current_ttl * 4}s"
                })
            
            # 可缓存状态码但当前不缓存
            elif current_ttl == 0 and self._should_be_cacheable(status, total):
                opportunities.append({
                    'status_code': status,
                    'current_hit_rate': hit_rate,
                    'request_count': total,
                    'current_ttl': current_ttl,
                    'issue': 'Cacheable status code not being cached',
                    'suggestion': f'Enable caching with TTL={self._suggest_ttl(status, total)}s'
                })
        
        return sorted(opportunities, 
                     key=lambda x: x['request_count'], 
                     reverse=True)
    
    def _should_be_cacheable(self, status_code: int, request_count: int) -> bool:
        """检查是否应该缓存"""
        # 404错误如果频繁出现且内容相同,可以缓存
        if status_code == 404 and request_count > 100:
            return True
        
        # 自定义状态码
        if 450 <= status_code <= 499 or 520 <= status_code <= 599:
            return request_count > 50
        
        return False
    
    def _suggest_ttl(self, status_code: int, request_count: int) -> int:
        """建议TTL"""
        if status_code == 404:
            return 60  # 1分钟
        elif 450 <= status_code <= 499:
            return 300  # 5分钟
        elif 520 <= status_code <= 599:
            return 30  # 30秒
        else:
            return 300  # 默认5分钟
    
    def _calculate_potential_savings(self,
                                   total_by_status: Dict[int, int],
                                   hit_rate_by_status: Dict[int, float],
                                   opportunities: List[Dict]) -> Dict[str, float]:
        """计算潜在节省"""
        # 估算平均响应大小(字节)
        avg_size_by_status = {
            200: 50000,   # 50KB
            201: 1000,    # 1KB
            204: 100,     # 100B
            301: 500,     # 500B
            302: 500,
            304: 100,
            404: 2000,    # 2KB
            500: 5000,    # 5KB
            460: 1000,    # 1KB
            520: 500      # 500B
        }
        
        current_bandwidth = 0
        optimized_bandwidth = 0
        
        for status, total in total_by_status.items():
            hit_rate = hit_rate_by_status.get(status, 0)
            avg_size = avg_size_by_status.get(status, 1000)
            
            # 当前带宽使用
            misses = total * (1 - hit_rate)
            current_bandwidth += misses * avg_size
            
            # 优化后带宽使用(假设命中率提高)
            optimized_hit_rate = hit_rate
            
            # 应用优化机会
            for opp in opportunities:
                if opp['status_code'] == status:
                    if 'increase' in opp['suggestion'].lower():
                        # 假设TTL增加会使命中率提高
                        optimized_hit_rate = min(hit_rate + 0.3, 0.95)
                    elif 'enable' in opp['suggestion'].lower():
                        # 新启用缓存
                        optimized_hit_rate = 0.7
                    break
            
            optimized_misses = total * (1 - optimized_hit_rate)
            optimized_bandwidth += optimized_misses * avg_size
        
        bandwidth_savings = current_bandwidth - optimized_bandwidth
        percentage_savings = (bandwidth_savings / current_bandwidth * 100 
                            if current_bandwidth > 0 else 0)
        
        # 延迟节省估算
        avg_origin_latency = 200  # ms
        latency_savings = (current_bandwidth - optimized_bandwidth) / 1000 * avg_origin_latency
        
        return {
            'bandwidth_savings_bytes': bandwidth_savings,
            'bandwidth_savings_percentage': percentage_savings,
            'estimated_latency_reduction_ms': latency_savings,
            'estimated_cost_savings': self._estimate_cost_savings(bandwidth_savings)
        }
    
    def _estimate_cost_savings(self, bandwidth_savings: float) -> float:
        """估算成本节省"""
        # 假设 $0.085 per GB (AWS CloudFront价格示例)
        cost_per_gb = 0.085
        savings_gb = bandwidth_savings / (1024 ** 3)
        return savings_gb * cost_per_gb
    
    def optimize_edge_configuration(self,
                                  analysis: Dict) -> CDNEdgeConfig:
        """优化边缘配置"""
        optimized_ttl = self.edge_config.cache_ttl.copy()
        
        # 根据分析调整TTL
        for opp in analysis['optimization_opportunities']:
            status = opp['status_code']
            suggestion = opp['suggestion']
            
            if 'Increase TTL' in suggestion:
                # 解析建议的新TTL
                import re
                match = re.search(r'to (d+)s', suggestion)
                if match:
                    new_ttl = int(match.group(1))
                    optimized_ttl[status] = new_ttl
            
            elif 'Enable caching' in suggestion:
                # 启用缓存
                match = re.search(r'TTL=(d+)', suggestion)
                if match:
                    new_ttl = int(match.group(1))
                    optimized_ttl[status] = new_ttl
        
        # 创建优化后的配置
        optimized_config = CDNEdgeConfig(
            location=self.edge_config.location,
            cache_ttl=optimized_ttl,
            stale_while_revalidate=self.edge_config.stale_while_revalidate,
            stale_if_error=self.edge_config.stale_if_error,
            compression_enabled=self.edge_config.compression_enabled,
            brotli_enabled=self.edge_config.brotli_enabled
        )
        
        return optimized_config
    
    def generate_purge_strategy(self,
                               status_code_changes: Dict[int, str],
                               content_types: Set[str]) -> Dict[str, any]:
        """生成清除策略"""
        # 不同状态码变化的清除策略
        purge_strategies = []
        
        for status_code, change_type in status_code_changes.items():
            if change_type == 'error_to_success':
                # 例如 404 -> 200
                strategy = {
                    'status_code': status_code,
                    'change': change_type,
                    'purge_scope': 'specific_urls',
                    'purge_method': 'immediate',
                    'priority': 'high',
                    'estimated_impact': 'Users will see updated content immediately'
                }
            
            elif change_type == 'success_to_error':
                # 例如 200 -> 404
                strategy = {
                    'status_code': status_code,
                    'change': change_type,
                    'purge_scope': 'specific_urls',
                    'purge_method': 'immediate',
                    'priority': 'critical',
                    'estimated_impact': 'Prevent users from accessing deleted content'
                }
            
            elif change_type == 'custom_code_change':
                # 例如 460 -> 200(商品重新上架)
                strategy = {
                    'status_code': status_code,
                    'change': change_type,
                    'purge_scope': 'specific_urls',
                    'purge_method': 'immediate',
                    'priority': 'medium',
                    'estimated_impact': 'Update business status immediately'
                }
            
            else:
                strategy = {
                    'status_code': status_code,
                    'change': change_type,
                    'purge_scope': 'pattern',
                    'purge_method': 'scheduled',
                    'priority': 'low'
                }
            
            purge_strategies.append(strategy)
        
        # 基于内容类型的清除建议
        content_type_purge = {}
        for content_type in content_types:
            if content_type.startswith('text/html'):
                content_type_purge[content_type] = {
                    'cache_duration': 'short',
                    'purge_frequency': 'high',
                    'recommendation': 'Use surrogate keys for granular purging'
                }
            elif 'image' in content_type:
                content_type_purge[content_type] = {
                    'cache_duration': 'long',
                    'purge_frequency': 'low',
                    'recommendation': 'Use versioned URLs for cache busting'
                }
            elif 'application/json' in content_type:
                content_type_purge[content_type] = {
                    'cache_duration': 'medium',
                    'purge_frequency': 'medium',
                    'recommendation': 'Implement cache revalidation with ETags'
                }
        
        return {
            'purge_strategies': purge_strategies,
            'content_type_recommendations': content_type_purge,
            'best_practices': self._get_purge_best_practices()
        }
    
    def _get_purge_best_practices(self) -> List[str]:
        """获取清除最佳实践"""
        return [
            "Use surrogate keys for granular cache purging",
            "Implement soft purge (stale-while-revalidate) when possible",
            "Schedule bulk purges during low-traffic periods",
            "Monitor purge queue depth to avoid delays",
            "Use cache tags for related content invalidation",
            "Implement purge ACLs to prevent accidental purges"
        ]

# CDN性能监控
class CDNPerformanceMonitor:
    """CDN性能监控器"""
    
    def __init__(self, optimizer: CDNOptimizer):
        self.optimizer = optimizer
        self.metrics_history = []
        self.alert_thresholds = {
            'hit_rate': 0.3,      # 低于30%告警
            'origin_load': 0.8,   # 源站负载超过80%告警
            'error_rate': 0.05,   # 错误率超过5%告警
            'latency_p95': 1000   # P95延迟超过1秒告警
        }
    
    def record_metrics(self, metrics: Dict[str, any]):
        """记录指标"""
        self.metrics_history.append({
            'timestamp': datetime.now(),
            'metrics': metrics
        })
        
        # 保持历史数据大小
        if len(self.metrics_history) > 1000:
            self.metrics_history = self.metrics_history[-1000:]
        
        # 检查告警
        alerts = self._check_alerts(metrics)
        if alerts:
            self._trigger_alerts(alerts)
    
    def _check_alerts(self, metrics: Dict) -> List[Dict]:
        """检查告警"""
        alerts = []
        
        # 检查命中率
        hit_rate = metrics.get('overall_hit_rate', 0)
        if hit_rate < self.alert_thresholds['hit_rate']:
            alerts.append({
                'type': 'LOW_HIT_RATE',
                'value': hit_rate,
                'threshold': self.alert_thresholds['hit_rate'],
                'severity': 'WARNING'
            })
        
        # 检查源站负载
        origin_load = metrics.get('origin_load_percentage', 0)
        if origin_load > self.alert_thresholds['origin_load']:
            alerts.append({
                'type': 'HIGH_ORIGIN_LOAD',
                'value': origin_load,
                'threshold': self.alert_thresholds['origin_load'],
                'severity': 'CRITICAL'
            })
        
        # 检查错误率
        error_rate = metrics.get('error_rate', 0)
        if error_rate > self.alert_thresholds['error_rate']:
            alerts.append({
                'type': 'HIGH_ERROR_RATE',
                'value': error_rate,
                'threshold': self.alert_thresholds['error_rate'],
                'severity': 'ERROR'
            })
        
        # 检查延迟
        latency_p95 = metrics.get('latency_p95_ms', 0)
        if latency_p95 > self.alert_thresholds['latency_p95']:
            alerts.append({
                'type': 'HIGH_LATENCY',
                'value': latency_p95,
                'threshold': self.alert_thresholds['latency_p95'],
                'severity': 'WARNING'
            })
        
        return alerts
    
    def _trigger_alerts(self, alerts: List[Dict]):
        """触发告警"""
        for alert in alerts:
            print(f"CDN ALERT [{alert['severity']}]: {alert['type']} = {alert['value']}")
    
    def generate_performance_report(self,
                                  start_time: datetime,
                                  end_time: datetime) -> Dict[str, any]:
        """生成性能报告"""
        # 过滤时间范围内的指标
        relevant_metrics = [
            m for m in self.metrics_history
            if start_time <= m['timestamp'] <= end_time
        ]
        
        if not relevant_metrics:
            return {}
        
        # 计算统计
        hit_rates = [m['metrics'].get('overall_hit_rate', 0) for m in relevant_metrics]
        error_rates = [m['metrics'].get('error_rate', 0) for m in relevant_metrics]
        latencies = [m['metrics'].get('latency_p95_ms', 0) for m in relevant_metrics]
        
        import statistics
        
        report = {
            'time_period': {
                'start': start_time,
                'end': end_time
            },
            'summary': {
                'avg_hit_rate': statistics.mean(hit_rates),
                'avg_error_rate': statistics.mean(error_rates),
                'avg_latency_p95': statistics.mean(latencies),
                'total_alerts': sum(len(m.get('alerts', [])) for m in relevant_metrics)
            },
            'trends': self._analyze_trends(relevant_metrics),
            'recommendations': self._generate_recommendations(relevant_metrics)
        }
        
        return report
    
    def _analyze_trends(self, metrics_data: List[Dict]) -> Dict[str, any]:
        """分析趋势"""
        # 简化实现
        return {
            'hit_rate_trend': 'stable',
            'latency_trend': 'stable',
            'error_rate_trend': 'stable'
        }
    
    def _generate_recommendations(self, metrics_data: List[Dict]) -> List[Dict]:
        """生成推荐"""
        recommendations = []
        
        # 分析平均命中率
        avg_hit_rate = statistics.mean(
            [m['metrics'].get('overall_hit_rate', 0) for m in metrics_data]
        )
        
        if avg_hit_rate < 0.5:
            recommendations.append({
                'type': 'CACHE_OPTIMIZATION',
                'priority': 'HIGH',
                'description': f'Low cache hit rate ({avg_hit_rate:.1%}). Consider optimizing cache TTLs and keys.',
                'action': 'Review and adjust CDN cache configuration'
            })
        
        # 分析错误模式
        error_details = []
        for data in metrics_data:
            errors = data['metrics'].get('errors_by_status', {})
            error_details.extend(errors.items())
        
        # 找出最常见的错误状态码
        from collections import Counter
        error_counter = Counter()
        for status, count in error_details:
            error_counter[status] += count
        
        common_errors = error_counter.most_common(3)
        for status, count in common_errors:
            if status >= 500:
                recommendations.append({
                    'type': 'ERROR_RESOLUTION',
                    'priority': 'CRITICAL',
                    'description': f'High server errors ({status}: {count} occurrences). Investigate backend issues.',
                    'action': f'Debug status code {status} errors'
                })
        
        return recommendations

# 使用示例
edge_config = CDNEdgeConfig.default_config()
cdn_optimizer = CDNOptimizer(edge_config)
monitor = CDNPerformanceMonitor(cdn_optimizer)

# 模拟CDN访问日志
access_logs = []
for i in range(1000):
    status_code = 200 if i % 10 != 0 else 404
    cache_status = 'HIT' if i % 3 != 0 else 'MISS'
    
    access_logs.append({
        'status_code': status_code,
        'cache_status': cache_status,
        'url': f'/api/products/{i % 100}',
        'response_size': 5000 if status_code == 200 else 1000
    })

# 分析缓存性能
analysis = cdn_optimizer.analyze_cache_performance(access_logs)

print("=== CDN Cache Analysis ===")
print(f"Overall hit rate: {analysis['hit_rate_by_status'].get(200, 0):.1%}")
print(f"404 hit rate: {analysis['hit_rate_by_status'].get(404, 0):.1%}")

print("
Optimization opportunities:")
for opp in analysis['optimization_opportunities'][:3]:
    print(f"  Status {opp['status_code']}: {opp['issue']}")

print(f"
Potential bandwidth savings: {analysis['potential_savings']['bandwidth_savings_percentage']:.1f}%")
print(f"Estimated cost savings: ${analysis['potential_savings']['estimated_cost_savings']:.2f}")

# 生成优化配置
optimized_config = cdn_optimizer.optimize_edge_configuration(analysis)
print(f"
Optimized 404 TTL: {optimized_config.cache_ttl.get(404)}s (was: {edge_config.cache_ttl.get(404)}s)")

# 监控性能
monitor.record_metrics({
    'overall_hit_rate': 0.65,
    'origin_load_percentage': 0.75,
    'error_rate': 0.02,
    'latency_p95_ms': 850,
    'errors_by_status': {404: 10, 500: 2}
})

# 生成报告
report = monitor.generate_performance_report(
    start_time=datetime.now() - timedelta(hours=1),
    end_time=datetime.now()
)

print(f"
Performance report:")
print(f"Average hit rate: {report['summary']['avg_hit_rate']:.1%}")
print(f"Recommendations: {len(report['recommendations'])}")

39.3 智能状态码处理

39.3.1 自适应状态码响应

python

# 自适应状态码响应系统
from typing import Dict, Any, Optional, Callable
from dataclasses import dataclass
from datetime import datetime, timedelta
import time
import random

class AdaptiveResponseStrategy:
    """自适应响应策略"""
    
    def __init__(self):
        self.strategies = self._initialize_strategies()
        self.performance_history = []
        self.learning_rate = 0.1
    
    def _initialize_strategies(self) -> Dict[str, Dict[str, Any]]:
        """初始化策略"""
        return {
            'aggressive_caching': {
                'description': 'Aggressive caching for high traffic',
                'conditions': ['high_traffic', 'low_error_rate'],
                'actions': {
                    'increase_cache_ttl': 2.0,  # 双倍TTL
                    'enable_stale_while_revalidate': True,
                    'prefetch_related': True
                },
                'performance_impact': 0.0  # 待学习
            },
            'conservative_fallback': {
                'description': 'Conservative fallback during instability',
                'conditions': ['high_error_rate', 'increasing_latency'],
                'actions': {
                    'reduce_cache_ttl': 0.5,  # 一半TTL
                    'disable_complex_features': True,
                    'enable_circuit_breaker': True
                },
                'performance_impact': 0.0
            },
            'graceful_degradation': {
                'description': 'Graceful degradation for overload',
                'conditions': ['high_load', 'resource_constrained'],
                'actions': {
                    'simplify_responses': True,
                    'return_partial_data': True,
                    'suggest_retry_later': True
                },
                'performance_impact': 0.0
            },
            'predictive_optimization': {
                'description': 'Predictive optimization based on patterns',
                'conditions': ['stable_pattern', 'predictable_load'],
                'actions': {
                    'pre_warm_cache': True,
                    'schedule_maintenance': True,
                    'optimize_anticipatory': True
                },
                'performance_impact': 0.0
            }
        }
    
    def analyze_context(self, 
                       metrics: Dict[str, Any],
                       request_context: Dict[str, Any]) -> List[str]:
        """分析上下文,确定适用策略"""
        applicable_strategies = []
        
        # 检查各项条件
        conditions = self._evaluate_conditions(metrics, request_context)
        
        for strategy_name, strategy in self.strategies.items():
            required_conditions = strategy['conditions']
            
            # 检查是否满足所有条件
            if all(cond in conditions for cond in required_conditions):
                applicable_strategies.append(strategy_name)
        
        return applicable_strategies
    
    def _evaluate_conditions(self,
                            metrics: Dict[str, Any],
                            context: Dict[str, Any]) -> List[str]:
        """评估条件"""
        conditions = []
        
        # 流量条件
        request_rate = metrics.get('requests_per_second', 0)
        if request_rate > 100:
            conditions.append('high_traffic')
        elif request_rate < 10:
            conditions.append('low_traffic')
        
        # 错误率条件
        error_rate = metrics.get('error_rate', 0)
        if error_rate > 0.1:
            conditions.append('high_error_rate')
        elif error_rate < 0.01:
            conditions.append('low_error_rate')
        
        # 延迟条件
        latency_trend = metrics.get('latency_trend', 'stable')
        if latency_trend == 'increasing':
            conditions.append('increasing_latency')
        
        # 负载条件
        system_load = metrics.get('system_load', 0)
        if system_load > 0.8:
            conditions.append('high_load')
        
        # 资源条件
        memory_usage = metrics.get('memory_usage', 0)
        if memory_usage > 0.9:
            conditions.append('resource_constrained')
        
        # 模式条件
        if context.get('pattern_stability', 0) > 0.8:
            conditions.append('stable_pattern')
        
        if context.get('load_predictability', 0) > 0.7:
            conditions.append('predictable_load')
        
        return conditions
    
    def select_best_strategy(self,
                           applicable_strategies: List[str],
                           historical_performance: Dict[str, float]) -> str:
        """选择最佳策略"""
        if not applicable_strategies:
            return 'default'
        
        # 使用UCB(Upper Confidence Bound)算法平衡探索和利用
        strategies_with_score = []
        
        for strategy in applicable_strategies:
            if strategy in historical_performance:
                # 利用:使用历史性能
                avg_performance = historical_performance[strategy]['average']
                count = historical_performance[strategy]['count']
                
                # 探索项:鼓励尝试次数少的策略
                exploration_bonus = (2 * math.log(sum(
                    h['count'] for h in historical_performance.values()
                )) / count) ** 0.5 if count > 0 else float('inf')
                
                score = avg_performance + exploration_bonus
            else:
                # 新策略,给高分鼓励尝试
                score = float('inf')
            
            strategies_with_score.append((strategy, score))
        
        # 选择最高分策略
        return max(strategies_with_score, key=lambda x: x[0])[0]
    
    def adapt_response(self,
                      original_status_code: int,
                      selected_strategy: str,
                      context: Dict[str, Any]) -> Dict[str, Any]:
        """根据策略调整响应"""
        if selected_strategy == 'default':
            return {
                'status_code': original_status_code,
                'headers': {},
                'body': {},
                'strategy_applied': 'none'
            }
        
        strategy = self.strategies[selected_strategy]
        actions = strategy['actions']
        
        adapted_response = {
            'status_code': original_status_code,
            'headers': {},
            'body': {},
            'strategy_applied': selected_strategy,
            'actions_taken': []
        }
        
        # 应用各个动作
        if 'increase_cache_ttl' in actions:
            multiplier = actions['increase_cache_ttl']
            adapted_response['headers']['Cache-Control'] = 
                f"public, max-age={3600 * multiplier}"  # 示例
            
        if 'reduce_cache_ttl' in actions:
            multiplier = actions['reduce_cache_ttl']
            adapted_response['headers']['Cache-Control'] = 
                f"public, max-age={300 * multiplier}"
        
        if 'enable_stale_while_revalidate' in actions:
            adapted_response['headers']['Cache-Control'] += 
                ", stale-while-revalidate=300"
        
        if 'simplify_responses' in actions and original_status_code == 200:
            # 简化响应体
            adapted_response['body'] = {
                'simplified': True,
                'essential_data_only': True
            }
        
        if 'return_partial_data' in actions and original_status_code == 200:
            # 返回部分数据
            adapted_response['status_code'] = 206  # Partial Content
            adapted_response['headers']['Content-Range'] = 'bytes 0-499/*'
        
        if 'suggest_retry_later' in actions:
            # 建议稍后重试
            retry_after = context.get('estimated_recovery_seconds', 30)
            adapted_response['headers']['Retry-After'] = str(retry_after)
            
            # 对于成功状态码,添加警告
            if 200 <= original_status_code < 300:
                adapted_response['headers']['Warning'] = 
                    '199 - "Service experiencing high load"'
        
        return adapted_response
    
    def record_performance(self,
                         strategy: str,
                         performance_metrics: Dict[str, float]):
        """记录策略性能"""
        self.performance_history.append({
            'timestamp': datetime.now(),
            'strategy': strategy,
            'metrics': performance_metrics
        })
        
        # 更新策略性能
        if strategy in self.strategies:
            # 计算性能分数
            performance_score = self._calculate_performance_score(performance_metrics)
            
            # 更新学习
            if 'performance_impact' in self.strategies[strategy]:
                current = self.strategies[strategy]['performance_impact']
                updated = current + self.learning_rate * (performance_score - current)
                self.strategies[strategy]['performance_impact'] = updated
    
    def _calculate_performance_score(self, metrics: Dict[str, float]) -> float:
        """计算性能分数"""
        # 组合多个指标
        score = 0.0
        
        # 响应时间(越低越好)
        response_time = metrics.get('response_time_ms', 1000)
        response_time_score = max(0, 1 - (response_time / 5000))  # 5秒为阈值
        score += response_time_score * 0.4
        
        # 错误率(越低越好)
        error_rate = metrics.get('error_rate', 0)
        error_rate_score = max(0, 1 - (error_rate / 0.5))  # 50%为阈值
        score += error_rate_score * 0.3
        
        # 缓存命中率(越高越好)
        cache_hit_rate = metrics.get('cache_hit_rate', 0)
        score += cache_hit_rate * 0.2
        
        # 资源使用(越低越好)
        resource_usage = metrics.get('resource_usage', 0)
        resource_score = max(0, 1 - resource_usage)
        score += resource_score * 0.1
        
        return score
    
    def get_learning_report(self) -> Dict[str, Any]:
        """获取学习报告"""
        # 计算策略性能统计
        strategy_stats = {}
        
        for strategy_name in self.strategies:
            strategy_performances = [
                entry for entry in self.performance_history
                if entry['strategy'] == strategy_name
            ]
            
            if strategy_performances:
                scores = [
                    self._calculate_performance_score(p['metrics'])
                    for p in strategy_performances
                ]
                
                import statistics
                strategy_stats[strategy_name] = {
                    'count': len(strategy_performances),
                    'avg_score': statistics.mean(scores) if scores else 0,
                    'std_score': statistics.stdev(scores) if len(scores) > 1 else 0,
                    'last_used': max(
                        p['timestamp'] for p in strategy_performances
                    ) if strategy_performances else None
                }
        
        # 学习趋势
        learning_trend = self._analyze_learning_trend()
        
        # 推荐策略
        recommended_strategies = self._recommend_strategies(strategy_stats)
        
        return {
            'strategy_statistics': strategy_stats,
            'learning_trend': learning_trend,
            'recommended_strategies': recommended_strategies,
            'learning_efficiency': self._calculate_learning_efficiency()
        }
    
    def _analyze_learning_trend(self) -> Dict[str, Any]:
        """分析学习趋势"""
        if len(self.performance_history) < 10:
            return {'status': 'INSUFFICIENT_DATA'}
        
        # 计算性能改进
        recent_performance = self.performance_history[-10:]
        older_performance = self.performance_history[:10]
        
        recent_scores = [
            self._calculate_performance_score(p['metrics'])
            for p in recent_performance
        ]
        older_scores = [
            self._calculate_performance_score(p['metrics'])
            for p in older_performance
        ]
        
        import statistics
        improvement = statistics.mean(recent_scores) - statistics.mean(older_scores)
        
        if improvement > 0.1:
            trend = 'IMPROVING'
        elif improvement < -0.1:
            trend = 'DECLINING'
        else:
            trend = 'STABLE'
        
        return {
            'status': trend,
            'improvement': improvement,
            'confidence': min(1.0, len(self.performance_history) / 100)
        }
    
    def _recommend_strategies(self, 
                            strategy_stats: Dict[str, Dict]) -> List[Dict[str, Any]]:
        """推荐策略"""
        recommendations = []
        
        for strategy_name, stats in strategy_stats.items():
            avg_score = stats['avg_score']
            
            if avg_score > 0.8:
                recommendations.append({
                    'strategy': strategy_name,
                    'recommendation': 'HIGHLY_EFFECTIVE',
                    'confidence': 'HIGH',
                    'suggested_usage': 'Increase application frequency'
                })
            elif avg_score < 0.3:
                recommendations.append({
                    'strategy': strategy_name,
                    'recommendation': 'INEFFECTIVE',
                    'confidence': 'MEDIUM',
                    'suggested_usage': 'Review and potentially deprecate'
                })
        
        return sorted(recommendations, 
                     key=lambda x: x.get('confidence', 'LOW'), 
                     reverse=True)
    
    def _calculate_learning_efficiency(self) -> float:
        """计算学习效率"""
        if len(self.performance_history) < 20:
            return 0.0
        
        # 计算性能方差减少
        early_scores = [
            self._calculate_performance_score(p['metrics'])
            for p in self.performance_history[:10]
        ]
        late_scores = [
            self._calculate_performance_score(p['metrics'])
            for p in self.performance_history[-10:]
        ]
        
        import statistics
        early_variance = statistics.variance(early_scores) if len(early_scores) > 1 else 1
        late_variance = statistics.variance(late_scores) if len(late_scores) > 1 else 1
        
        # 方差减少表示学习效率
        variance_reduction = (early_variance - late_variance) / early_variance
        return max(0, min(1, variance_reduction))

# 自适应中间件
class AdaptiveStatusCodeMiddleware:
    """自适应状态码中间件"""
    
    def __init__(self, strategy_engine: AdaptiveResponseStrategy):
        self.strategy_engine = strategy_engine
        self.metrics_collector = MetricsCollector()
        self.context_analyzer = ContextAnalyzer()
        
    async def process_request(self, request: Dict[str, Any]) -> Dict[str, Any]:
        """处理请求"""
        # 收集指标
        current_metrics = self.metrics_collector.get_current_metrics()
        
        # 分析上下文
        request_context = self.context_analyzer.analyze(request)
        
        # 选择策略
        applicable_strategies = self.strategy_engine.analyze_context(
            current_metrics, request_context
        )
        
        historical_performance = self._get_historical_performance()
        selected_strategy = self.strategy_engine.select_best_strategy(
            applicable_strategies, historical_performance
        )
        
        # 存储策略决策
        request['adaptive_strategy'] = selected_strategy
        request['request_context'] = request_context
        
        return request
    
    async def process_response(self,
                             request: Dict[str, Any],
                             response: Dict[str, Any]) -> Dict[str, Any]:
        """处理响应"""
        selected_strategy = request.get('adaptive_strategy', 'default')
        request_context = request.get('request_context', {})
        
        # 自适应调整响应
        adapted_response = self.strategy_engine.adapt_response(
            response['status_code'],
            selected_strategy,
            request_context
        )
        
        # 合并响应
        final_response = response.copy()
        final_response.update({
            'headers': {**response.get('headers', {}), 
                       **adapted_response.get('headers', {})},
            'body': adapted_response.get('body') or response.get('body'),
            'adaptive_metadata': {
                'strategy_applied': adapted_response.get('strategy_applied'),
                'actions_taken': adapted_response.get('actions_taken', [])
            }
        })
        
        # 记录性能
        self._record_performance(selected_strategy, request, final_response)
        
        return final_response
    
    def _get_historical_performance(self) -> Dict[str, Dict[str, float]]:
        """获取历史性能"""
        # 简化实现
        return {}
    
    def _record_performance(self,
                          strategy: str,
                          request: Dict[str, Any],
                          response: Dict[str, Any]):
        """记录性能"""
        performance_metrics = {
            'response_time_ms': response.get('response_time', 0),
            'error_rate': 1 if response['status_code'] >= 400 else 0,
            'cache_hit_rate': 1 if response.get('from_cache', False) else 0,
            'resource_usage': request.get('resource_usage', 0)
        }
        
        self.strategy_engine.record_performance(strategy, performance_metrics)
    
    def get_adaptation_report(self) -> Dict[str, Any]:
        """获取适应报告"""
        learning_report = self.strategy_engine.get_learning_report()
        current_metrics = self.metrics_collector.get_current_metrics()
        
        return {
            'learning_report': learning_report,
            'current_metrics': current_metrics,
            'adaptation_efficiency': self._calculate_adaptation_efficiency(),
            'recommended_adjustments': self._generate_adjustment_recommendations(
                learning_report, current_metrics
            )
        }
    
    def _calculate_adaptation_efficiency(self) -> float:
        """计算适应效率"""
        # 基于学习效率和当前性能
        learning_report = self.strategy_engine.get_learning_report()
        learning_efficiency = learning_report.get('learning_efficiency', 0)
        
        current_metrics = self.metrics_collector.get_current_metrics()
        current_performance = self.strategy_engine._calculate_performance_score(
            current_metrics
        )
        
        # 组合指标
        efficiency = (learning_efficiency * 0.3 + current_performance * 0.7)
        return efficiency
    
    def _generate_adjustment_recommendations(self,
                                           learning_report: Dict[str, Any],
                                           current_metrics: Dict[str, Any]) -> List[Dict[str, Any]]:
        """生成调整建议"""
        recommendations = []
        
        # 基于学习报告的建议
        for rec in learning_report.get('recommended_strategies', []):
            if rec['recommendation'] == 'INEFFECTIVE':
                recommendations.append({
                    'type': 'STRATEGY_ADJUSTMENT',
                    'priority': 'MEDIUM',
                    'description': f"Strategy '{rec['strategy']}' appears ineffective",
                    'action': f"Review and adjust {rec['strategy']} strategy parameters"
                })
        
        # 基于当前指标的建议
        if current_metrics.get('error_rate', 0) > 0.1:
            recommendations.append({
                'type': 'ERROR_HANDLING',
                'priority': 'HIGH',
                'description': 'High error rate detected',
                'action': 'Enable conservative fallback strategies more aggressively'
            })
        
        if current_metrics.get('requests_per_second', 0) > 500:
            recommendations.append({
                'type': 'SCALING_ADJUSTMENT',
                'priority': 'MEDIUM',
                'description': 'High traffic load',
                'action': 'Increase caching aggressiveness and enable prefetching'
            })
        
        return recommendations

# 支持类
class MetricsCollector:
    """指标收集器"""
    
    def get_current_metrics(self) -> Dict[str, float]:
        """获取当前指标"""
        # 简化实现
        return {
            'requests_per_second': random.uniform(50, 500),
            'error_rate': random.uniform(0, 0.2),
            'latency_trend': random.choice(['stable', 'increasing', 'decreasing']),
            'system_load': random.uniform(0.3, 0.9),
            'memory_usage': random.uniform(0.4, 0.95)
        }

class ContextAnalyzer:
    """上下文分析器"""
    
    def analyze(self, request: Dict[str, Any]) -> Dict[str, Any]:
        """分析请求上下文"""
        return {
            'pattern_stability': random.uniform(0.5, 1.0),
            'load_predictability': random.uniform(0.3, 0.9),
            'estimated_recovery_seconds': random.randint(10, 300),
            'resource_usage': random.uniform(0.2, 0.8)
        }

# 使用示例
strategy_engine = AdaptiveResponseStrategy()
middleware = AdaptiveStatusCodeMiddleware(strategy_engine)

# 模拟请求处理
for i in range(100):
    request = {
        'method': 'GET',
        'url': f'/api/data/{i}',
        'headers': {},
        'resource_usage': random.uniform(0.2, 0.8)
    }
    
    # 处理请求
    processed_request = middleware.process_request(request)
    
    # 模拟响应
    response = {
        'status_code': 200 if i % 20 != 0 else 503,
        'headers': {},
        'body': {'data': f'response_{i}'},
        'response_time': random.uniform(50, 2000),
        'from_cache': i % 3 == 0
    }
    
    # 处理响应
    adapted_response = middleware.process_response(processed_request, response)
    
    # 每20个请求显示报告
    if i % 20 == 0 and i > 0:
        report = middleware.get_adaptation_report()
        print(f"
=== Adaptation Report after {i} requests ===")
        print(f"Learning efficiency: {report['adaptation_efficiency']:.2%}")
        
        for rec in report['recommended_adjustments'][:2]:
            print(f"  {rec['priority']}: {rec['description']}")

39.4 总结

状态码性能优化是一个多层次、多维度的系统工程:

核心优化领域:

  1. 响应时间优化 - 分解和分析各个组件的时间消耗

  2. 缓存策略优化 - 智能的缓存决策和管理

  3. 传输优化 - HTTP/2/3头部压缩,CDN优化

  4. 自适应处理 - 基于上下文的状态码响应调整

关键技术:

  1. 性能剖析 - 详细的时间分解和瓶颈识别

  2. 智能缓存 - 基于状态码和上下文的动态缓存策略

  3. 协议优化 - 充分利用HTTP/2/3的特性

  4. 机器学习 - 自适应策略学习和优化

最佳实践:

  1. 分层优化 - 从边缘到后端的全方位优化

  2. 数据驱动 - 基于监控数据的优化决策

  3. 渐进式改进 - 小步快跑,持续优化

  4. 自动化调整 - 基于规则的自动优化

未来趋势:

  1. AI驱动的优化 - 更智能的自适应系统

  2. 边缘计算 - 更接近用户的处理

  3. 实时优化 - 基于实时数据的即时调整

  4. 预测性优化 - 提前预测和预防性能问题

通过综合应用这些优化策略,可以显著提升系统的性能、可靠性和用户体验。


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