Redis 快取策略設計模式後端效能優化教學

為什麼後端工程師必須掌握 Redis 快取策略？

每個高流量系統的背後，幾乎都藏著一層精心設計的快取架構。作為一名在生產環境摸爬滾打多年的後端工程師，我見過太多因為快取策略不當導致的系統崩潰——從資料庫被打爆，到使用者資料短暫錯亂。

Redis 不只是「把資料塞進記憶體」這麼簡單。正確的快取設計模式能讓你的 API 回應時間從 500ms 降到 5ms，錯誤的策略則可能在流量高峰時製造出比沒有快取更嚴重的問題。

本文將帶你深入三種核心快取設計模式，以及在實戰中不得不面對的 TTL 策略、快取失效、緩存擊穿（Cache Stampede）等問題，並附上可直接使用的 Node.js 與 Python 程式碼。

三大核心快取設計模式

1. Cache-Aside（旁路快取）

Cache-Aside 是最常見、最靈活的快取模式。應用程式自行負責快取的讀寫邏輯，資料庫與快取之間沒有直接連動。

讀取流程：

應用程式先查詢 Redis
命中（Cache Hit）→ 直接回傳
未命中（Cache Miss）→ 查詢資料庫 → 寫入 Redis → 回傳資料

// Node.js Cache-Aside 實作
const redis = require('ioredis');
const client = new redis();

async function getUserById(userId) {
  const cacheKey = `user:${userId}`;
  
  // 1. 嘗試從 Redis 取得
  const cached = await client.get(cacheKey);
  if (cached) {
    return JSON.parse(cached);
  }
  
  // 2. Cache Miss：從資料庫查詢
  const user = await db.query('SELECT * FROM users WHERE id = $1', [userId]);
  
  // 3. 寫入 Redis，設定 TTL 為 3600 秒（1 小時）
  await client.setex(cacheKey, 3600, JSON.stringify(user));
  
  return user;
}

async function updateUser(userId, data) {
  // 更新資料庫
  await db.query('UPDATE users SET ... WHERE id = $1', [userId]);
  
  // 主動刪除快取，確保下次讀取時重新載入
  await client.del(`user:${userId}`);
}

Cache-Aside 的優勢在於只快取真正被讀取的資料，且資料庫故障時應用程式仍能運作（只是較慢）。缺點是第一次請求必然 Cache Miss，且讀寫之間存在短暫的資料不一致窗口。

2. Write-Through（同步寫入）

Write-Through 模式在寫入資料庫的同時同步更新快取，確保快取中的資料始終是最新狀態。

# Python Write-Through 實作
import redis
import json

r = redis.Redis(host='localhost', port=6379, decode_responses=True)

def update_product(product_id: str, data: dict) -> dict:
    """
    Write-Through：同時寫入資料庫與快取
    """
    # 1. 寫入資料庫
    updated = db.execute(
        'UPDATE products SET name=%s, price=%s WHERE id=%s RETURNING *',
        (data['name'], data['price'], product_id)
    ).fetchone()
    
    # 2. 同步更新快取
    cache_key = f'product:{product_id}'
    r.setex(cache_key, 1800, json.dumps(updated))  # TTL 30 分鐘
    
    return updated

Write-Through 適合讀多寫少、對資料一致性要求較高的場景，例如商品詳情頁。缺點是每次寫入都要同時操作快取，若快取伺服器暫時不可用，需要有降級機制。

3. Write-Behind（非同步寫入）

Write-Behind（又稱 Write-Back）先寫入快取，再非同步批次寫入資料庫。這是追求極致寫入效能時的選擇。

// Node.js Write-Behind 概念實作
const DIRTY_KEY = 'dirty:users';

async function updateUserAsync(userId, data) {
  const cacheKey = `user:${userId}`;
  
  // 1. 立即更新 Redis
  await client.setex(cacheKey, 3600, JSON.stringify(data));
  
  // 2. 將 userId 加入「待同步」集合
  await client.sadd(DIRTY_KEY, userId);
}

// 背景 Worker：每 5 秒批次同步到資料庫
async function syncWorker() {
  setInterval(async () => {
    const dirtyIds = await client.smembers(DIRTY_KEY);
    if (dirtyIds.length === 0) return;
    
    for (const userId of dirtyIds) {
      const data = JSON.parse(await client.get(`user:${userId}`));
      await db.query('UPDATE users SET ... WHERE id = $1', [userId]);
      await client.srem(DIRTY_KEY, userId);
    }
  }, 5000);
}

Write-Behind 適合高頻寫入場景（如計數器、即時排行榜），但實作複雜度高，且 Redis 故障時未同步的資料有遺失風險。

TTL 策略：快取時間設多長？

TTL（Time To Live）是快取設計中最需要權衡的決策。沒有放諸四海皆準的答案，但有幾個實戰原則：

靜態資料（商品分類、系統設定）：TTL 設 24 小時以上，配合手動刷新機制
使用者資料（個人資料、偏好設定）：TTL 設 1-4 小時
即時資料（庫存、價格）：TTL 設 60-300 秒，或不使用 TTL 改用主動失效
Session 資料：TTL 與 Session 過期時間一致

另一個進階技巧是隨機化 TTL，避免大量快取在同一時間過期（雪崩效應）：

import random

base_ttl = 3600  # 1 小時
jitter = random.randint(-300, 300)  # ±5 分鐘隨機偏差
final_ttl = base_ttl + jitter

r.setex(cache_key, final_ttl, json.dumps(data))

緩存擊穿（Cache Stampede）防護

緩存擊穿是高流量系統中最危險的快取問題之一：當一個熱門 Key 過期的瞬間，大量請求同時湧入資料庫，造成資料庫瞬間過載。這個問題在設計 REST API 後端架構時必須提前考慮。

解決方案是分散式鎖（Distributed Lock）：

// 使用分散式鎖防止緩存擊穿
async function getWithLock(key, fetchFn, ttl = 3600) {
  // 1. 先嘗試讀取快取
  const cached = await client.get(key);
  if (cached) return JSON.parse(cached);
  
  const lockKey = `lock:${key}`;
  const lockToken = Date.now().toString();
  
  // 2. 嘗試獲取鎖（NX = 不存在才設定，PX = 毫秒為單位的 TTL）
  const acquired = await client.set(lockKey, lockToken, 'NX', 'PX', 5000);
  
  if (acquired) {
    try {
      // 3. 獲得鎖，查詢資料庫並寫入快取
      const data = await fetchFn();
      await client.setex(key, ttl, JSON.stringify(data));
      return data;
    } finally {
      // 4. 釋放鎖
      const currentToken = await client.get(lockKey);
      if (currentToken === lockToken) {
        await client.del(lockKey);
      }
    }
  } else {
    // 5. 未獲得鎖，短暫等待後重試
    await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 100));
    return getWithLock(key, fetchFn, ttl);
  }
}

另一種更優雅的方案是邏輯過期（Logical Expiration）：快取資料永不真正過期，而是在資料中記錄邏輯過期時間，由背景任務負責更新。

快取失效（Cache Invalidation）策略

Phil Karlton 的名言：「電腦科學只有兩個難題：快取失效和命名。」快取失效的核心挑戰在於確保快取資料與資料庫的一致性。

在微服務架構中，這個問題更加複雜。當使用 OpenTelemetry 追蹤分散式請求時，你會發現快取失效的時序問題往往是效能瓶頸的根源。

幾個實戰建議：

優先使用刪除而非更新：刪除快取比更新快取更安全，下次讀取時自然重建
使用版本號或 Tag 批次失效：

# 使用 Tag 批次失效相關快取
def invalidate_by_tag(tag: str):
    """
    刪除所有帶有特定 tag 的快取 Key
    例如：tag='category:electronics' 可一次失效該分類下所有商品快取
    """
    tag_key = f'tag:{tag}'
    keys = r.smembers(tag_key)
    
    if keys:
        pipe = r.pipeline()
        pipe.delete(*keys)  # 批次刪除所有關聯 Key
        pipe.delete(tag_key)  # 刪除 Tag 索引
        pipe.execute()

def cache_with_tag(key: str, data, tag: str, ttl: int = 3600):
    """寫入快取並建立 Tag 索引"""
    pipe = r.pipeline()
    pipe.setex(key, ttl, json.dumps(data))
    pipe.sadd(f'tag:{tag}', key)  # 將 Key 加入 Tag 集合
    pipe.expire(f'tag:{tag}', ttl)
    pipe.execute()

Redis Pipeline 與批次操作

在需要同時操作多個 Key 的場景，使用 Pipeline 可大幅減少網路來回次數（Round Trip Time）：

// 使用 Pipeline 批次寫入
async function batchCacheUsers(users) {
  const pipeline = client.pipeline();
  
  users.forEach(user => {
    pipeline.setex(`user:${user.id}`, 3600, JSON.stringify(user));
  });
  
  await pipeline.exec();
  console.log(`已批次快取 ${users.length} 筆使用者資料`);
}

這個技巧在建構 Serverless 應用時特別重要。如果你使用 Supabase Edge Functions 搭配 Redis，Pipeline 能顯著降低冷啟動期間的延遲。

監控與調優：快取命中率

快取設計完成後，持續監控是關鍵。最重要的指標是快取命中率（Cache Hit Rate）：

# 查看 Redis 快取命中率
redis-cli INFO stats | grep -E 'keyspace_hits|keyspace_misses'

# 計算命中率：hits / (hits + misses) * 100
# 健康的生產環境通常應維持在 80% 以上

當你的微服務架構擴展，將 Redis 快取與容器化部署結合時，Docker Multi-Stage Build 可以幫助你建立輕量的快取服務映像，而 Kubernetes Gateway API 則能在流量層面為快取服務提供精細的路由控制。

總結：選對模式，事半功倍

Redis 快取策略沒有銀彈，每種模式都有其適用場景：

Cache-Aside：最通用，適合讀多寫少的一般場景
Write-Through：適合對一致性要求高、能接受寫入延遲的場景
Write-Behind：適合極高頻寫入、能接受短暫資料不一致的場景

最重要的是：先測量，再優化。用真實的流量數據決定你需要哪種模式，而不是憑感覺。加上適當的 TTL 隨機化、分散式鎖防止緩存擊穿、Tag 批次失效機制，你的後端效能將脫胎換骨。

Redis 快取策略設計模式：後端效能優化完整教學