Web層キャッシュはアプリケーションのパフォーマンス向上において不可欠な要素であり、データの重複処理やデータベースクエリを削減することで応答時間を短縮します。ユーザーからのリクエストデータがすでにキャッシュされている場合、サーバーはキャッシュから直接結果を返せるため、複雑な演算やデータベースアクセスを毎回実行する必要がありません。この仕組みにより、アプリケーションのレスポンスタイムが向上するだけでなく、背後にあるシステムの負荷も軽減されます。
Redisは高效的キャッシュレイヤー構築に広く利用されているメモリベースのデータ構造ストアです。文字列、ハッシュ、リスト、セット等多种多様なデータ構造をサポートし、高速なデータ読み書きを実現します。一般的に使用されるデータをRedisにキャッシュすることで、データベースへの負荷を大幅に軽減し、ユーザーエクスペリエンスを向上させることができます。
キャッシュ-Related Problems Analysis
======
本章では、Redisの基本的なキャッシュ機構については既に理解していることを前提とし、Redis失效時に発生する可能性のある損失を防ぐ方法に焦点を当てます。キャッシュ穿透、キャッシュ失效、キャッシュ雪崩という3つの主要な問題について、その発生要因と具体的な対策について詳しく説明します。
キャッシュ穿透
----
キャッシュ穿透とは、 실제로存在しないデータをクエリする際に、キャッシュレイヤーとストレージレイヤーの両方においてヒットしない状態を指します。フォールトトレランスを考慮して、ストレージでデータが見つからなかった場合、システムは通常キャッシュに書き込みません。その結果、存在しないデータをリクエストするたびに、システムはストレージに直接アクセスする必要があり、バックエンドストレージをキャッシュで保護するという本来の意義が失われてしまいます。これはストレージレイヤーの負荷を増加させるだけでなく、システム全体のパフォーマンスも低下させます。
キャッシュ穿透の主な発生要因は次の2つです：
1. **ビジネスロジックまたはデータの不備**：このような問題は通常、ビジネスロジックの欠陥やデータ不整合に起因します。例えば、某些データのクエリに対してビジネスコードが正しく処理できなかったり、データソース自体に欠陥（如データ欠損、データの誤りなど）がある場合は、リクエストされたクエリがキャッシュでもストレージでも対応するデータを見つけられない可能性があります。このような状況では、キャッシュレイヤーがクエリ結果を効果的に保存・返却できず、各リクエストがストレージに直接アクセスする必要があります。
2. **悪意のある攻撃またはクローラー行為**：悪意のある攻撃者または自動化されたクローラーが大量のリクエストを送信し、存在しないデータを多数クエリする可能性があります。これらのリクエストがキャッシュとストレージを繰り返し攻撃することで、多数のプロックMiss（クエリ結果が常に空）が発生し、システムリソースを大量に消費するだけでなく、キャッシュレイヤーとストレージレイヤーの負荷を著しく増加させ、システム全体のパフォーマンスと安定性に影響を与えます。
### 解決策①——空オブジェクトのキャッシュ
キャッシュ穿透効果的な解決策の1つは空オブジェクトをキャッシュすることです。この方法では、特定データが存在しないことを示す「空」のマークまたはオブジェクトをキャッシュレイヤーに保存します。これにより、後続のリクエストが同じデータをクエリする際に、システムはストレージに再アクセスする必要なく、キャッシュから「空オブジェクト」を直接取得できます。これはストレージへのアクセス回数を削減するだけでなく、システム全体のパフォーマンスとレスポンスタイムを向上させ、キャッシュ穿透問題を効果的に緩和します。
public String fetchData(String cacheKey) {
// Step 1: キャッシュからデータを取得
String cachedData = redisTemplate.opsForValue().get(cacheKey);
// キャッシュヒットの場合
if (cachedData != null) {
return cachedData;
}
// Step 2: キャッシュMissの場合、データベースから取得
String dbData = database.query(cacheKey);
// Step 3: データベースにもデータがない場合の処理
if (dbData == null) {
// 空オブジェクトをキャッシュにセットし、短時間の有効期限を設定
redisTemplate.opsForValue().set(cacheKey, "EMPTY", Duration.ofMinutes(5));
} else {
// データが正常に取得できたらキャッシュに保存
redisTemplate.opsForValue().set(cacheKey, dbData);
}
return dbData;
}
<dependency>
<groupId>org.redisson</groupId>
<artifactId>redisson-spring-boot-starter</artifactId>
<version>3.23.5</version>
</dependency>
package com.example.cache;
import org.redisson.api.RBloomFilter;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Component;
import jakarta.annotation.PostConstruct;
@Component
public class BloomFilterInitializer {
@Autowired
private RedissonClient redissonClient;
private RBloomFilter<String> userIdFilter;
@PostConstruct
public void init() {
// Bloomフィルター实例を取得
userIdFilter = redissonClient.getBloomFilter("userIdCache");
// フィルターを初期化：预计要素数1億、エラー率3%
userIdFilter.tryInit(100_000_000L, 0.03);
}
public void registerUser(String userId) {
userIdFilter.add(userId);
}
public boolean mightContain(String userId) {
return userIdFilter.contains(userId);
}
}
package com.example.cache;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Service;
@Service
public class ProductCacheService {
@Autowired
private BloomFilterInitializer bloomFilter;
@Autowired
private ProductRepository productRepository;
@Autowired
private RedisTemplate<String, Object> redisTemplate;
public Product getProduct(Long productId) {
String cacheKey = "product:" + productId;
// まずBloomフィルターで存在可能性を проверка
if (!bloomFilter.mightContain(String.valueOf(productId))) {
return null;
}
// キャッシュからデータを取得
Product cached = (Product) redisTemplate.opsForValue().get(cacheKey);
if (cached != null) {
return cached;
}
// キャッシュMiss、データベースから取得
Product product = productRepository.findById(productId).orElse(null);
if (product != null) {
redisTemplate.opsForValue().set(cacheKey, product);
} else {
// 空データでもキャッシュ
redisTemplate.opsForValue().set(cacheKey, "EMPTY");
redisTemplate.expire(cacheKey, Duration.ofMinutes(5));
}
return product;
}
}
public String retrieveItem(String itemKey) {
// キャッシュからデータを取得
String cachedItem = cacheClient.get(itemKey);
if (StringUtil.isNotEmpty(cachedItem)) {
return cachedItem;
}
// キャッシュMiss、データベースからデータを取得
String dbItem = dbConnection.fetch(itemKey);
if (dbItem != null) {
// データをキャッシュに保存
cacheClient.set(itemKey, dbItem);
// 有効期限を300〜600秒のランダム値に設定
int ttl = 300 + (int)(Math.random() * 301);
cacheClient.expire(itemKey, ttl);
} else {
// データが存在しない場合も短時間の有効期限を設定
cacheClient.expire(itemKey, 300);
}
return dbItem;
}