【Redis】快取策略實戰：Cache-Aside、Write-Through 與 TTL 設計

前言

Redis 是現代 Web 應用中最常用的快取解決方案之一。然而，「快取」這兩個字說起來容易，真正用好卻需要深入理解各種策略的取捨。本文以資深工程師視角，帶你從快取模式選擇、TTL 設計、Cache Stampede 防護到 Laravel 實作，完整掌握 Redis 快取策略。

常見的快取模式

1. Cache-Aside（旁路快取）

最常見、最靈活的模式。應用程式負責管理快取：

// 讀取流程：先查快取，Miss 才查 DB
public function getUser(int $id): ?User
{
    $key = "user:{$id}";

    // 1. 先查 Redis
    $cached = Redis::get($key);
    if ($cached !== null) {
        return unserialize($cached); // Cache Hit
    }

    // 2. Cache Miss：查 DB
    $user = User::find($id);
    if ($user) {
        // 3. 寫回快取，設定 TTL
        Redis::setex($key, 3600, serialize($user));
    }

    return $user;
}

// 更新流程：更新 DB 後刪除快取（不是更新快取）
public function updateUser(int $id, array $data): User
{
    $user = User::findOrFail($id);
    $user->update($data);

    // 刪除快取，讓下次讀取重新從 DB 載入（Cache-Aside 推薦做法）
    Redis::del("user:{$id}");

    return $user;
}

優點：快取與 DB 解耦，僅快取實際被讀取的資料，不會快取冷資料。

缺點：第一次請求（Cold Start）會打到 DB；需要自己處理快取失效。

2. Write-Through（直寫式快取）

每次寫入 DB 時，同步更新快取：

public function updateUser(int $id, array $data): User
{
    $user = User::findOrFail($id);
    $user->update($data);

    // 同步寫入快取
    Redis::setex("user:{$id}", 3600, serialize($user->fresh()));

    return $user;
}

優點：快取資料永遠是最新的，讀取命中率高。

缺點：寫入較慢（需同時寫 DB + Redis）；可能快取到很少被讀的資料。

3. Write-Behind（延遲寫入）

先寫 Redis，非同步批次寫入 DB。適合高寫入頻率場景（如計數器、即時排行榜）：

// 按讚計數：先更新 Redis，定期批次同步到 DB
public function likePost(int $postId): void
{
    Redis::incr("post:{$postId}:likes");
    // 排程任務定期將 Redis 計數同步到 DB
}

優點：極高的寫入效能。

缺點：Redis 掛掉可能丟失未同步的資料，需要額外的持久化保障。

TTL 設計原則

TTL（Time To Live）設計是快取策略中最容易被輕忽，卻最影響系統穩定性的一環。

基於資料特性設計 TTL

加入隨機 Jitter，避免 Cache Stampede

如果大量 key 有相同的 TTL，它們會在同一時間集體過期，導致所有請求同時打到 DB，造成雪崩效應（Cache Stampede）。解法是加入隨機抖動：

// 壞的做法：所有 key 同時過期
Redis::setex("product:{$id}", 3600, $data);

// 好的做法：加入 ±10% 的隨機 jitter
$baseTtl = 3600;
$jitter = rand(0, (int)($baseTtl * 0.1));
Redis::setex("product:{$id}", $baseTtl + $jitter, $data);

Cache Stampede 防護：Mutex Lock

即便加了 jitter，高流量下仍可能有多個請求同時 Miss 同一個 key，全部衝向 DB。解法是使用互斥鎖（Mutex）：

public function getProductWithLock(int $id): ?Product
{
    $cacheKey = "product:{$id}";
    $lockKey  = "lock:product:{$id}";

    // 1. 先查快取
    $cached = Redis::get($cacheKey);
    if ($cached !== null) {
        return unserialize($cached);
    }

    // 2. Cache Miss，嘗試取得 lock（NX = Not Exists，EX = TTL 10s）
    $locked = Redis::set($lockKey, 1, ['NX', 'EX' => 10]);

    if ($locked) {
        // 3a. 取得 lock：查 DB，寫快取，釋放 lock
        try {
            $product = Product::find($id);
            if ($product) {
                Redis::setex($cacheKey, 3600 + rand(0, 360), serialize($product));
            }
            return $product;
        } finally {
            Redis::del($lockKey);
        }
    } else {
        // 3b. 未取得 lock：等待後重試（簡易 spin-wait）
        usleep(100000); // 等 100ms
        $cached = Redis::get($cacheKey);
        return $cached ? unserialize($cached) : null;
    }
}

Laravel Cache 完整實作

使用 Laravel Cache Facade（推薦）

Laravel 的 Cache::remember() 本身已實作了 Cache-Aside 模式，且底層有防重複查詢的機制：

use Illuminate\Support\Facades\Cache;

// remember：Cache Miss 時執行 closure 並快取結果
$user = Cache::remember("user:{$id}", now()->addHour(), function () use ($id) {
    return User::with('roles')->find($id);
});

// rememberForever：永不過期（需手動刪除）
$config = Cache::rememberForever('site:config', function () {
    return SiteConfig::all()->keyBy('key');
});

// 刪除快取
Cache::forget("user:{$id}");

// 批次刪除（使用 tags，需 Redis 或 Memcached）
Cache::tags(['users'])->flush();

Cache Tags 管理關聯快取

當一個資源被多個 key 快取時，Cache Tags 可以一次清除所有相關快取：

// 寫入帶 tag 的快取
Cache::tags(['products', "category:{$categoryId}"])
    ->put("product:{$id}", $product, now()->addHours(2));

// 清除所有 products tag 的快取（例如商品大規模更新後）
Cache::tags(['products'])->flush();

// 清除特定分類下的所有快取
Cache::tags(["category:{$categoryId}"])->flush();

封裝成 CacheService

class ProductCacheService
{
    private const TTL_BASE = 3600;

    public function get(int $id): ?Product
    {
        return Cache::tags(['products'])
            ->remember(
                "product:{$id}",
                $this->ttlWithJitter(),
                fn() => Product::with('category', 'images')->find($id)
            );
    }

    public function invalidate(int $id): void
    {
        Cache::tags(['products'])->forget("product:{$id}");
    }

    public function invalidateAll(): void
    {
        Cache::tags(['products'])->flush();
    }

    private function ttlWithJitter(): \DateTimeInterface
    {
        $jitter = rand(0, (int)(self::TTL_BASE * 0.1));
        return now()->addSeconds(self::TTL_BASE + $jitter);
    }
}

快取 Key 設計規範

好的 Key 設計讓問題排查更容易，也避免 key 衝突：

// 格式：{應用}:{模組}:{資源}:{ID}:{版本（可選）}
//
// 好的例子：
"blog:user:profile:42"
"blog:product:detail:123"
"blog:category:tree:v2"           // 含版本，可快速全部失效
"blog:leaderboard:daily:20260226" // 含日期

// 壞的例子：
"user42"          // 沒有命名空間，易衝突
"cache_product"   // 沒有 ID，無法精確控制
"p_123_data_new"  // 命名不規則

監控快取健康狀況

透過 Redis INFO 指令監控命中率，命中率低於 80% 通常代表 TTL 太短或快取未生效：

# 查看快取命中率
$ redis-cli INFO stats | grep -E "keyspace_hits|keyspace_misses"
keyspace_hits:1523847
keyspace_misses:38291

# 命中率 = hits / (hits + misses) = 97.5% ✅

# 查看記憶體使用
$ redis-cli INFO memory | grep used_memory_human
used_memory_human:512.34M

在 Laravel 中，可以搭配 Telescope 或自訂 Middleware 記錄每個請求的快取命中情況，讓問題一目了然。

小結

Redis 快取策略沒有銀彈，必須依據資料特性選擇合適的模式：

• 一般讀多寫少場景 → Cache-Aside
• 需要強一致性 → Write-Through + 主動失效
• 高頻寫入（計數器、排行榜）→ Write-Behind

同時記住三個核心原則：加 Jitter 避免雪崩、用 Mutex 防 Stampede、建立命名規範便於維運。把這些原則落地，你的 Redis 快取才能真正發揮效果。