Redis Architect Skill

🧠 Expertise

資深 Redis 架構師，專精於分散式快取、高可用架構、訊息佇列與 NoSQL 資料結構設計。

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1. Redis 資料結構與使用場景

1.1 資料結構選擇指南

資料結構	使用場景	時間複雜度
String	簡單快取、計數器、分散式鎖	O(1)
Hash	物件存儲、使用者 Session	O(1)
List	訊息佇列、最新動態	O(1) 頭尾操作
Set	標籤、唯一值集合、交集運算	O(1)
Sorted Set	排行榜、延遲佇列、時間線	O(log n)
Stream	事件流、訊息佇列（持久化）	O(1)

1.2 使用範例

// String - 簡單快取
Redis::set('user:123:profile', json_encode($profile));
Redis::setex('user:123:profile', 3600, json_encode($profile)); // 1小時過期

// Hash - 物件存儲（節省記憶體）
Redis::hset('user:123', 'name', 'John');
Redis::hset('user:123', 'email', 'john@example.com');
Redis::hgetall('user:123'); // 取得整個物件

// List - 訊息佇列
Redis::lpush('queue:emails', json_encode($email));
Redis::rpop('queue:emails'); // FIFO

// Set - 唯一值
Redis::sadd('user:123:tags', 'vip', 'premium');
Redis::sismember('user:123:tags', 'vip'); // 檢查成員

// Sorted Set - 排行榜
Redis::zadd('leaderboard', 1000, 'player:1');
Redis::zadd('leaderboard', 2500, 'player:2');
Redis::zrevrange('leaderboard', 0, 9); // Top 10

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2. 快取模式

2.1 Cache Aside（旁路快取）

// 讀取
public function getUser(int $id): User
{
    $key = "user:{$id}";
    
    $cached = Redis::get($key);
    if ($cached) {
        return User::fromArray(json_decode($cached, true));
    }
    
    $user = User::findOrFail($id);
    Redis::setex($key, 3600, json_encode($user));
    
    return $user;
}

// 更新時失效
public function updateUser(int $id, array $data): User
{
    $user = User::findOrFail($id);
    $user->update($data);
    Redis::del("user:{$id}");
    return $user;
}

2.2 Write Through（寫入穿透）

public function updateUser(int $id, array $data): User
{
    $user = User::findOrFail($id);
    $user->update($data);
    
    // 同步更新快取
    Redis::setex("user:{$id}", 3600, json_encode($user));
    
    return $user;
}

2.3 快取穿透防護

// 防止查詢不存在的資料
public function getUser(int $id): ?User
{
    $key = "user:{$id}";
    $cached = Redis::get($key);
    
    if ($cached === 'NULL') {
        return null; // 快取的空值
    }
    
    if ($cached) {
        return User::fromArray(json_decode($cached, true));
    }
    
    $user = User::find($id);
    
    if ($user) {
        Redis::setex($key, 3600, json_encode($user));
    } else {
        Redis::setex($key, 300, 'NULL'); // 快取空值 5 分鐘
    }
    
    return $user;
}

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3. 分散式鎖

3.1 基本實作

class RedisLock
{
    public function acquire(string $key, int $ttl = 10): ?string
    {
        $token = Str::uuid()->toString();
        
        $acquired = Redis::set(
            "lock:{$key}",
            $token,
            'EX', $ttl,
            'NX'  // 只在不存在時設置
        );
        
        return $acquired ? $token : null;
    }
    
    public function release(string $key, string $token): bool
    {
        // Lua 腳本確保原子性
        $script = <<<'LUA'
            if redis.call("get", KEYS[1]) == ARGV[1] then
                return redis.call("del", KEYS[1])
            else
                return 0
            end
        LUA;
        
        return Redis::eval($script, 1, "lock:{$key}", $token) === 1;
    }
}

// 使用
$lock = new RedisLock();
$token = $lock->acquire('order:123');

if ($token) {
    try {
        // 執行關鍵操作
        processOrder(123);
    } finally {
        $lock->release('order:123', $token);
    }
}

3.2 Laravel 內建鎖

// 使用 Laravel Cache Lock
$lock = Cache::lock('order:123', 10);

if ($lock->get()) {
    try {
        processOrder(123);
    } finally {
        $lock->release();
    }
}

// 或使用阻塞方式
$lock = Cache::lock('order:123', 10);
$lock->block(5, function () {
    processOrder(123);
});

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4. Pub/Sub 訊息模式

4.1 基本使用

// 發布訊息
Redis::publish('channel:notifications', json_encode([
    'type' => 'order_created',
    'order_id' => 123,
]));

// 訂閱訊息（需要獨立進程）
Redis::subscribe(['channel:notifications'], function ($message, $channel) {
    $data = json_decode($message, true);
    handleNotification($data);
});

4.2 適用場景

場景	說明
即時通知	廣播給所有訂閱者
快取失效	通知所有實例清除快取
事件廣播	Laravel Echo 後端

4.3 限制

• 不保證送達：訂閱者離線時訊息會丟失
• 無持久化：需要持久化請使用 Stream

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5. 高可用架構

5.1 Redis Sentinel

┌─────────────┐     ┌─────────────┐     ┌─────────────┐
│  Sentinel 1 │     │  Sentinel 2 │     │  Sentinel 3 │
└──────┬──────┘     └──────┬──────┘     └──────┬──────┘
       │                   │                   │
       └───────────────────┼───────────────────┘
                           │ 監控
       ┌───────────────────┼───────────────────┐
       │                   │                   │
┌──────▼──────┐     ┌──────▼──────┐     ┌──────▼──────┐
│   Master    │────▶│   Slave 1   │     │   Slave 2   │
└─────────────┘     └─────────────┘     └─────────────┘

Laravel 配置：

// config/database.php
'redis' => [
    'client' => 'predis',
    'default' => [
        'tcp://sentinel1:26379',
        'tcp://sentinel2:26379',
        'tcp://sentinel3:26379',
        'options' => [
            'replication' => 'sentinel',
            'service' => 'mymaster',
        ],
    ],
],

5.2 Redis Cluster

┌─────────────┐     ┌─────────────┐     ┌─────────────┐
│  Master 1   │     │  Master 2   │     │  Master 3   │
│ Slot 0-5460 │     │ Slot 5461-  │     │ Slot 10923- │
│             │     │     10922   │     │     16383   │
└──────┬──────┘     └──────┬──────┘     └──────┬──────┘
       │                   │                   │
┌──────▼──────┐     ┌──────▼──────┐     ┌──────▼──────┐
│   Slave 1   │     │   Slave 2   │     │   Slave 3   │
└─────────────┘     └─────────────┘     └─────────────┘

Laravel 配置：

'redis' => [
    'client' => 'predis',
    'clusters' => [
        'default' => [
            ['host' => 'node1', 'port' => 6379],
            ['host' => 'node2', 'port' => 6379],
            ['host' => 'node3', 'port' => 6379],
        ],
        'options' => [
            'cluster' => 'redis',
        ],
    ],
],

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6. 持久化策略

6.1 RDB vs AOF

特性	RDB	AOF
方式	快照	日誌追加
資料安全	可能丟失數分鐘	最多丟失 1 秒
效能	較高	較低
恢復速度	快	慢
適用場景	備份、災難恢復	資料安全要求高

6.2 建議配置

# 同時啟用 RDB 和 AOF
save 900 1      # 900秒內至少1次寫入則快照
save 300 10     # 300秒內至少10次寫入則快照
save 60 10000   # 60秒內至少10000次寫入則快照

appendonly yes
appendfsync everysec  # 每秒同步

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7. Laravel 整合

7.1 佇列系統（Horizon）

// config/horizon.php
'environments' => [
    'production' => [
        'supervisor-1' => [
            'connection' => 'redis',
            'queue' => ['high', 'default', 'low'],
            'balance' => 'auto',
            'minProcesses' => 1,
            'maxProcesses' => 10,
            'tries' => 3,
        ],
    ],
],

7.2 Session 存儲

// config/session.php
'driver' => 'redis',
'connection' => 'session',  // 獨立連接

// config/database.php
'redis' => [
    'session' => [
        'host' => env('REDIS_HOST'),
        'port' => env('REDIS_PORT'),
        'database' => 1,  // 使用不同的 database
    ],
],

7.3 Rate Limiting

// 使用 Redis 實作速率限制
RateLimiter::for('api', function (Request $request) {
    return Limit::perMinute(60)->by($request->user()?->id ?: $request->ip());
});

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8. 效能調優

8.1 記憶體優化

策略	說明
Hash 小物件	使用 Hash 存儲小物件，比多個 String 更省記憶體
合理 TTL	設置過期時間，避免記憶體無限增長
LRU 淘汰	配置 maxmemory-policy allkeys-lru

8.2 監控指標

指標	健康值	警告值
記憶體使用率	< 70%	> 90%
命中率	> 95%	< 80%
連接數	< 80% maxclients	> 90%
延遲	< 1ms	> 10ms

8.3 監控命令

# 即時監控
redis-cli monitor

# 統計資訊
redis-cli info stats

# 記憶體分析
redis-cli memory doctor

# 慢查詢日誌
redis-cli slowlog get 10

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9. Redis 檢查清單

架構設計

• 是否選擇正確的資料結構？
• 是否設置合理的 TTL？
• 高可用方案是否到位？
• 持久化策略是否配置？

效能

• 是否避免大 Key？
• 是否使用 Pipeline 批次操作？
• 是否監控記憶體使用？
• 是否有慢查詢監控？

安全

• 是否設置密碼？
• 是否限制網路存取？
• 是否禁用危險命令？