今日の世界では、大規模でトラフィックの多いシステムでは、リクエストに応答する速度と効率が最も重要です。電子商取引 Web サイト、ソーシャル ネットワーク、銀行サービスなどのオンライン プラットフォームは、大量のデータとユーザーのリクエストに直面しています。この高い需要はサーバーやデータベースに大きな負荷をかけるだけでなく、ユーザー エクスペリエンスにも大きな影響を与える可能性があります。これに関連して、キャッシュ システムの実装は、パフォーマンスを向上させ、リソースの負荷を軽減する効果的なソリューションとなります。
この記事では、AVL ツリーと Redis を組み合わせた高度なキャッシュ システムの実装について説明します。このシステムには、パフォーマンスと柔軟性を強化するためのセキュリティ メカニズム、TTL (Time to Live) 管理、Redis との統合が含まれています。目標は、両方のテクノロジーの弱点を軽減しながら、両方のテクノロジーの利点を活用することです。
重要な注意: この記事は人工知能の支援を受けて開発されました。
メモリ効率の向上:
強化されたセキュリティ:
高度な TTL 管理:
多様なデータ構造:
柔軟性とカスタマイズの向上:
アーキテクチャの複雑さの増加:
時間オーバーヘッドの増加:
データのメンテナンスと同期:
開発コストとメンテナンスコストの増加:
セキュリティの複雑さ:
以下では、このキャッシュ システムの専門的な実装を紹介します。この実装には、TTL 機能でデータを管理するための AVL ツリーと高速データ ストレージのための Redis が含まれています。
まず、TTL 管理機能を備えた AVL ツリーを実装します。
// src/utils/avltree.ts
export class AVLNode {
key: string;
value: any;
ttl: number; // Expiration time in milliseconds
height: number;
left: AVLNode | null;
right: AVLNode | null;
constructor(key: string, value: any, ttl: number) {
this.key = key;
this.value = value;
this.ttl = Date.now() + ttl;
this.height = 1;
this.left = null;
this.right = null;
}
isExpired(): boolean {
return Date.now() > this.ttl;
}
}
export class AVLTree {
private root: AVLNode | null;
constructor() {
this.root = null;
}
private getHeight(node: AVLNode | null): number {
return node ? node.height : 0;
}
private updateHeight(node: AVLNode): void {
node.height = 1 + Math.max(this.getHeight(node.left), this.getHeight(node.right));
}
private rotateRight(y: AVLNode): AVLNode {
const x = y.left!;
y.left = x.right;
x.right = y;
this.updateHeight(y);
this.updateHeight(x);
return x;
}
private rotateLeft(x: AVLNode): AVLNode {
const y = x.right!;
x.right = y.left;
y.left = x;
this.updateHeight(x);
this.updateHeight(y);
return y;
}
private getBalance(node: AVLNode): number {
return node ? this.getHeight(node.left) - this.getHeight(node.right) : 0;
}
insert(key: string, value: any, ttl: number): void {
this.root = this.insertNode(this.root, key, value, ttl);
}
private insertNode(node: AVLNode | null, key: string, value: any, ttl: number): AVLNode {
if (!node) return new AVLNode(key, value, ttl);
if (key < node.key) {
node.left = this.insertNode(node.left, key, value, ttl);
} else if (key > node.key) {
node.right = this.insertNode(node.right, key, value, ttl);
} else {
node.value = value;
node.ttl = Date.now() + ttl;
return node;
}
this.updateHeight(node);
const balance = this.getBalance(node);
// Balancing the tree
if (balance > 1 && key < node.left!.key) return this.rotateRight(node);
if (balance < -1 && key > node.right!.key) return this.rotateLeft(node);
if (balance > 1 && key > node.left!.key) {
node.left = this.rotateLeft(node.left!);
return this.rotateRight(node);
}
if (balance < -1 && key < node.right!.key) {
node.right = this.rotateRight(node.right!);
return this.rotateLeft(node);
}
return node;
}
search(key: string): any {
let node = this.root;
while (node) {
if (node.isExpired()) {
this.delete(key);
return null;
}
if (key === node.key) return node.value;
node = key < node.key ? node.left : node.right;
}
return null;
}
delete(key: string): void {
this.root = this.deleteNode(this.root, key);
}
private deleteNode(node: AVLNode | null, key: string): AVLNode | null {
if (!node) return null;
if (key < node.key) {
node.left = this.deleteNode(node.left, key);
} else if (key > node.key) {
node.right = this.deleteNode(node.right, key);
} else {
if (!node.left || !node.right) return node.left || node.right;
let minLargerNode = node.right;
while (minLargerNode.left) minLargerNode = minLargerNode.left;
node.key = minLargerNode.key;
node.value = minLargerNode.value;
node.ttl = minLargerNode.ttl;
node.right = this.deleteNode(node.right, minLargerNode.key);
}
this.updateHeight(node);
const balance = this.getBalance(node);
if (balance > 1 && this.getBalance(node.left!) >= 0) return this.rotateRight(node);
if (balance < -1 && this.getBalance(node.right!) <= 0) return this.rotateLeft(node);
if (balance > 1 && this.getBalance(node.left!) < 0) {
node.left = this.rotateLeft(node.left!);
return this.rotateRight(node);
}
if (balance < -1 && this.getBalance(node.right!) > 0) {
node.right = this.rotateRight(node.right!);
return this.rotateLeft(node);
}
return node;
}
}
このセクションでは、キャッシュ管理に AVL ツリーと Redis の両方を利用するキャッシュ サービスを実装します。さらに、トークン検証メカニズムも組み込まれています。
// src/cache/cache.service.ts
import { Injectable, UnauthorizedException, InternalServerErrorException } from '@nestjs/common';
import { AVLTree } from '../utils/avltree';
import { InjectRedis, Redis } from '@nestjs-modules/ioredis';
@Injectable()
export class CacheService {
private avlTree: AVLTree;
private authorizedTokens: Set<string> = new Set(['your_authorized_token']); // Authorized tokens
constructor(@InjectRedis() private readonly redis: Redis) {
this.avlTree = new AVLTree();
}
validateToken(token: string): void {
if (!this.authorizedTokens.has(token)) {
throw new UnauthorizedException('Invalid access token');
}
}
async set(key: string, value: any, ttl: number, token: string): Promise<void> {
this.validateToken(token);
try {
// Store in Redis
await this.redis.set(key, JSON.stringify(value), 'PX', ttl);
// Store in AVL Tree
this.avlTree.insert(key, value, ttl);
} catch (error) {
throw new InternalServerErrorException('Failed to set cache');
}
}
async get(key: string, token: string): Promise<any> {
this.validateToken(token);
try {
// First, attempt to retrieve from Redis
const redisValue = await this.redis.get(key);
if (redisValue) {
return JSON.parse(redisValue);
}
// If not found in Redis, retrieve from AVL Tree
const avlValue = this.avlTree.search(key);
if (avlValue) {
// Re-store in Redis for faster access next time
// Assuming the remaining TTL is maintained in AVL Tree
// For simplicity, we set a new TTL
const newTtl = 60000; // 60 seconds as an example
await this.redis.set(key, JSON.stringify(avlValue), 'PX', newTtl);
return avlValue;
}
return null;
} catch (error) {
throw new InternalServerErrorException('Failed to get cache');
}
}
async delete(key: string, token: string): Promise<void> {
this.validateToken(token);
try {
// Remove from Redis
await this.redis.del(key);
// Remove from AVL Tree
this.avlTree.delete(key);
} catch (error) {
throw new InternalServerErrorException('Failed to delete cache');
}
}
}
コントローラーはキャッシュ サービスへの API リクエストを管理します。
// src/cache/cache.controller.ts
import { Controller, Get, Post, Delete, Body, Param, Query, HttpCode, HttpStatus } from '@nestjs/common';
import { CacheService } from './cache.service';
class SetCacheDto {
key: string;
value: any;
ttl: number; // milliseconds
token: string;
}
@Controller('cache')
export class CacheController {
constructor(private readonly cacheService: CacheService) {}
@Post('set')
@HttpCode(HttpStatus.CREATED)
async setCache(@Body() body: SetCacheDto) {
await this.cacheService.set(body.key, body.value, body.ttl, body.token);
return { message: 'Data cached successfully' };
}
@Get('get/:key')
async getCache(@Param('key') key: string, @Query('token') token: string) {
const value = await this.cacheService.get(key, token);
return value ? { value } : { message: 'Key not found or expired' };
}
@Delete('delete/:key')
@HttpCode(HttpStatus.NO_CONTENT)
async deleteCache(@Param('key') key: string, @Query('token') token: string) {
await this.cacheService.delete(key, token);
return { message: 'Key deleted successfully' };
}
}
サービスとコントローラーを接続し、Redis を注入するキャッシュ モジュールを定義します。
// src/cache/cache.module.ts
import { Module } from '@nestjs/common';
import { CacheService } from './cache.service';
import { CacheController } from './cache.controller';
import { RedisModule } from '@nestjs-modules/ioredis';
@Module({
imports: [
RedisModule.forRoot({
config: {
host: 'localhost',
port: 6379,
// Other Redis configurations
},
}),
],
providers: [CacheService],
controllers: [CacheController],
})
export class CacheModule {}
NestJS プロジェクトで Redis を使用するには、@nestjs-modules/ioredis パッケージを利用します。まず、パッケージをインストールします:
npm install @nestjs-modules/ioredis ioredis
次に、上記のように CacheModule で Redis を構成します。より高度な構成が必要な場合は、別の構成ファイルを使用できます。
トークンの管理と検証には、さまざまな戦略を採用できます。この単純な実装では、トークンは固定セットで維持されます。大規模なプロジェクトの場合は、JWT (JSON Web Token) またはその他の高度なセキュリティ方法を使用することをお勧めします。
この実装では、入力検証とエラー管理に DTO (データ転送オブジェクト) クラスが使用されます。さらに、キャッシュ サービスは、予期しない問題を防ぐために一般的なエラー処理を利用します。
最後に、キャッシュ モジュールをメイン アプリケーション モジュールに追加します。
// src/utils/avltree.ts
export class AVLNode {
key: string;
value: any;
ttl: number; // Expiration time in milliseconds
height: number;
left: AVLNode | null;
right: AVLNode | null;
constructor(key: string, value: any, ttl: number) {
this.key = key;
this.value = value;
this.ttl = Date.now() + ttl;
this.height = 1;
this.left = null;
this.right = null;
}
isExpired(): boolean {
return Date.now() > this.ttl;
}
}
export class AVLTree {
private root: AVLNode | null;
constructor() {
this.root = null;
}
private getHeight(node: AVLNode | null): number {
return node ? node.height : 0;
}
private updateHeight(node: AVLNode): void {
node.height = 1 + Math.max(this.getHeight(node.left), this.getHeight(node.right));
}
private rotateRight(y: AVLNode): AVLNode {
const x = y.left!;
y.left = x.right;
x.right = y;
this.updateHeight(y);
this.updateHeight(x);
return x;
}
private rotateLeft(x: AVLNode): AVLNode {
const y = x.right!;
x.right = y.left;
y.left = x;
this.updateHeight(x);
this.updateHeight(y);
return y;
}
private getBalance(node: AVLNode): number {
return node ? this.getHeight(node.left) - this.getHeight(node.right) : 0;
}
insert(key: string, value: any, ttl: number): void {
this.root = this.insertNode(this.root, key, value, ttl);
}
private insertNode(node: AVLNode | null, key: string, value: any, ttl: number): AVLNode {
if (!node) return new AVLNode(key, value, ttl);
if (key < node.key) {
node.left = this.insertNode(node.left, key, value, ttl);
} else if (key > node.key) {
node.right = this.insertNode(node.right, key, value, ttl);
} else {
node.value = value;
node.ttl = Date.now() + ttl;
return node;
}
this.updateHeight(node);
const balance = this.getBalance(node);
// Balancing the tree
if (balance > 1 && key < node.left!.key) return this.rotateRight(node);
if (balance < -1 && key > node.right!.key) return this.rotateLeft(node);
if (balance > 1 && key > node.left!.key) {
node.left = this.rotateLeft(node.left!);
return this.rotateRight(node);
}
if (balance < -1 && key < node.right!.key) {
node.right = this.rotateRight(node.right!);
return this.rotateLeft(node);
}
return node;
}
search(key: string): any {
let node = this.root;
while (node) {
if (node.isExpired()) {
this.delete(key);
return null;
}
if (key === node.key) return node.value;
node = key < node.key ? node.left : node.right;
}
return null;
}
delete(key: string): void {
this.root = this.deleteNode(this.root, key);
}
private deleteNode(node: AVLNode | null, key: string): AVLNode | null {
if (!node) return null;
if (key < node.key) {
node.left = this.deleteNode(node.left, key);
} else if (key > node.key) {
node.right = this.deleteNode(node.right, key);
} else {
if (!node.left || !node.right) return node.left || node.right;
let minLargerNode = node.right;
while (minLargerNode.left) minLargerNode = minLargerNode.left;
node.key = minLargerNode.key;
node.value = minLargerNode.value;
node.ttl = minLargerNode.ttl;
node.right = this.deleteNode(node.right, minLargerNode.key);
}
this.updateHeight(node);
const balance = this.getBalance(node);
if (balance > 1 && this.getBalance(node.left!) >= 0) return this.rotateRight(node);
if (balance < -1 && this.getBalance(node.right!) <= 0) return this.rotateLeft(node);
if (balance > 1 && this.getBalance(node.left!) < 0) {
node.left = this.rotateLeft(node.left!);
return this.rotateRight(node);
}
if (balance < -1 && this.getBalance(node.right!) > 0) {
node.right = this.rotateRight(node.right!);
return this.rotateLeft(node);
}
return node;
}
}
NestJS をブートストラップするメイン アプリケーション ファイル。
// src/cache/cache.service.ts
import { Injectable, UnauthorizedException, InternalServerErrorException } from '@nestjs/common';
import { AVLTree } from '../utils/avltree';
import { InjectRedis, Redis } from '@nestjs-modules/ioredis';
@Injectable()
export class CacheService {
private avlTree: AVLTree;
private authorizedTokens: Set<string> = new Set(['your_authorized_token']); // Authorized tokens
constructor(@InjectRedis() private readonly redis: Redis) {
this.avlTree = new AVLTree();
}
validateToken(token: string): void {
if (!this.authorizedTokens.has(token)) {
throw new UnauthorizedException('Invalid access token');
}
}
async set(key: string, value: any, ttl: number, token: string): Promise<void> {
this.validateToken(token);
try {
// Store in Redis
await this.redis.set(key, JSON.stringify(value), 'PX', ttl);
// Store in AVL Tree
this.avlTree.insert(key, value, ttl);
} catch (error) {
throw new InternalServerErrorException('Failed to set cache');
}
}
async get(key: string, token: string): Promise<any> {
this.validateToken(token);
try {
// First, attempt to retrieve from Redis
const redisValue = await this.redis.get(key);
if (redisValue) {
return JSON.parse(redisValue);
}
// If not found in Redis, retrieve from AVL Tree
const avlValue = this.avlTree.search(key);
if (avlValue) {
// Re-store in Redis for faster access next time
// Assuming the remaining TTL is maintained in AVL Tree
// For simplicity, we set a new TTL
const newTtl = 60000; // 60 seconds as an example
await this.redis.set(key, JSON.stringify(avlValue), 'PX', newTtl);
return avlValue;
}
return null;
} catch (error) {
throw new InternalServerErrorException('Failed to get cache');
}
}
async delete(key: string, token: string): Promise<void> {
this.validateToken(token);
try {
// Remove from Redis
await this.redis.del(key);
// Remove from AVL Tree
this.avlTree.delete(key);
} catch (error) {
throw new InternalServerErrorException('Failed to delete cache');
}
}
}
すべてのコンポーネントを実装したら、アプリケーションを実行して機能を確認できます。
// src/cache/cache.controller.ts
import { Controller, Get, Post, Delete, Body, Param, Query, HttpCode, HttpStatus } from '@nestjs/common';
import { CacheService } from './cache.service';
class SetCacheDto {
key: string;
value: any;
ttl: number; // milliseconds
token: string;
}
@Controller('cache')
export class CacheController {
constructor(private readonly cacheService: CacheService) {}
@Post('set')
@HttpCode(HttpStatus.CREATED)
async setCache(@Body() body: SetCacheDto) {
await this.cacheService.set(body.key, body.value, body.ttl, body.token);
return { message: 'Data cached successfully' };
}
@Get('get/:key')
async getCache(@Param('key') key: string, @Query('token') token: string) {
const value = await this.cacheService.get(key, token);
return value ? { value } : { message: 'Key not found or expired' };
}
@Delete('delete/:key')
@HttpCode(HttpStatus.NO_CONTENT)
async deleteCache(@Param('key') key: string, @Query('token') token: string) {
await this.cacheService.delete(key, token);
return { message: 'Key deleted successfully' };
}
}
キャッシュを設定:
// src/cache/cache.module.ts
import { Module } from '@nestjs/common';
import { CacheService } from './cache.service';
import { CacheController } from './cache.controller';
import { RedisModule } from '@nestjs-modules/ioredis';
@Module({
imports: [
RedisModule.forRoot({
config: {
host: 'localhost',
port: 6379,
// Other Redis configurations
},
}),
],
providers: [CacheService],
controllers: [CacheController],
})
export class CacheModule {}
キャッシュの取得:
npm install @nestjs-modules/ioredis ioredis
キャッシュの削除:
// src/app.module.ts
import { Module } from '@nestjs/common';
import { CacheModule } from './cache/cache.module';
@Module({
imports: [CacheModule],
controllers: [],
providers: [],
})
export class AppModule {}
銀行および金融システム:
トラフィックの多い電子商取引プラットフォーム:
メッセージングおよびソーシャル ネットワーキング アプリケーション:
天気予報と為替アプリケーション:
コンテンツ管理システムとメディア プラットフォーム:
分析アプリケーションとリアルタイム ダッシュボード:
この記事では、NestJS フレームワーク内で AVL ツリーと Redis を使用した高度なキャッシュ システムを実装しました。このシステムは、高度な TTL 管理、トークンベースのセキュリティ、Redis 統合を提供し、需要の高いアプリケーションに堅牢かつ柔軟なソリューションを提供します。これら 2 つのテクノロジーを組み合わせることで、両方の長所が活用され、Redis の弱点に対処し、全体的なキャッシュ パフォーマンスが向上します。
以上がNestJS の高度なキャッシュによる速度とパフォーマンスの向上: AVL ツリーと Redis の使用方法の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。
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