redis-patterns

name	redis-patterns
description	Redisデータ構造パターン、キャッシング戦略、分散ロック、レート制限、Pub/Sub、本番アプリケーション用コネクション管理。
origin	ECC

Redis Patterns

一般的なバックエンド使用例に対するRedisベストプラクティスの参考資料。

How It Works

Redisはメモリ内データ構造ストアで、文字列、ハッシュ、リスト、セット、ソート済みセット、ストリームなどをサポートします。単一インスタンスでは個々のRedisコマンドは原子的ですが、マルチステップワークフローはLuaスクリプト、MULTI/EXECトランザクション、または明示的な同期化が必要です。RDBスナップショットまたはAOFログを通じてデータをオプションで永続化します。クライアントはRESPプロトコルを使用してTCP経由で通信します。接続プール不可欠でリクエストごとのハンドシェイクオーバーヘッドを回避します。

When to Activate

• アプリケーションにキャッシング追加
• レート制限またはスロットリング実装
• 分散ロックまたはコーディネーション構築
• セッションまたはトークンストレージ設定
• Pub/SubまたはRedis Streams for messaging使用
• 本番環境でRedis設定（プール、削除、クラスタリング）

Data Structure Cheat Sheet

Use Case	Structure	Example Key
Simple cache	String	product:123
User session	Hash	session:abc
Leaderboard	Sorted Set	scores:weekly
Unique visitors	Set	visitors:2024-01-01
Activity feed	List	feed:user:456
Event stream	Stream	events:orders
Counters / rate limits	String (INCR)	ratelimit:user:123
Bloom filter / HLL	HyperLogLog	hll:pageviews

Core Patterns

Cache-Aside (Lazy Loading)

import redis
import json

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

def get_product(product_id: int):
    cache_key = f"product:{product_id}"
    cached = r.get(cache_key)

    if cached:
        return json.loads(cached)

    product = db.query("SELECT * FROM products WHERE id = %s", product_id)
    r.setex(cache_key, 3600, json.dumps(product))  # TTL: 1 hour
    return product

Write-Through Cache

def update_product(product_id: int, data: dict):
    # DB書き込み先
    db.execute("UPDATE products SET ... WHERE id = %s", product_id)

    # キャッシュを即座に更新
    cache_key = f"product:{product_id}"
    r.setex(cache_key, 3600, json.dumps(data))

Cache Invalidation

# タグベース削除 — セット内で関連キーをグループ化
def cache_product(product_id: int, category_id: int, data: dict):
    key = f"product:{product_id}"
    tag = f"tag:category:{category_id}"
    pipe = r.pipeline(transaction=True)
    pipe.setex(key, 3600, json.dumps(data))
    pipe.sadd(tag, key)
    pipe.expire(tag, 3600)
    pipe.execute()

def invalidate_category(category_id: int):
    tag = f"tag:category:{category_id}"
    keys = r.smembers(tag)
    if keys:
        r.delete(*keys)
    r.delete(tag)

Session Storage

import time
import uuid

def create_session(user_id: int, ttl: int = 86400) -> str:
    session_id = str(uuid.uuid4())
    key = f"session:{session_id}"
    pipe = r.pipeline(transaction=True)
    pipe.hset(key, mapping={
        "user_id": user_id,
        "created_at": int(time.time()),
    })
    pipe.expire(key, ttl)
    pipe.execute()
    return session_id

def get_session(session_id: str) -> dict | None:
    data = r.hgetall(f"session:{session_id}")
    return data if data else None

def delete_session(session_id: str):
    r.delete(f"session:{session_id}")

Rate Limiting

Fixed Window (Simple)

def is_rate_limited(user_id: int, limit: int = 100, window: int = 60) -> bool:
    key = f"ratelimit:{user_id}:{int(time.time()) // window}"
    pipe = r.pipeline(transaction=True)
    pipe.incr(key)
    pipe.expire(key, window)
    count, _ = pipe.execute()
    return count > limit

Sliding Window (Lua — Atomic)

-- sliding_window.lua
local key = KEYS[1]
local now = tonumber(ARGV[1])
local window = tonumber(ARGV[2])
local limit = tonumber(ARGV[3])

redis.call('ZREMRANGEBYSCORE', key, 0, now - window)
local count = redis.call('ZCARD', key)

if count < limit then
    -- Use unique member (now + sequence) to avoid collisions within the same millisecond
    local seq_key = key .. ':seq'
    local seq = redis.call('INCR', seq_key)
    redis.call('EXPIRE', seq_key, math.ceil(window / 1000))
    redis.call('ZADD', key, now, now .. '-' .. seq)
    redis.call('EXPIRE', key, math.ceil(window / 1000))
    return 1
end
return 0

sliding_window = r.register_script(open('sliding_window.lua').read())

def allow_request(user_id: int) -> bool:
    key = f"ratelimit:sliding:{user_id}"
    now = int(time.time() * 1000)
    return bool(sliding_window(keys=[key], args=[now, 60000, 100]))

Distributed Locks

Distributed Lock (Single Node — SET NX PX)

import uuid

def acquire_lock(resource: str, ttl_ms: int = 5000) -> str | None:
    lock_key = f"lock:{resource}"
    token = str(uuid.uuid4())
    acquired = r.set(lock_key, token, px=ttl_ms, nx=True)
    return token if acquired else None

def release_lock(resource: str, token: str) -> bool:
    release_script = """
    if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then
        return redis.call('del', KEYS[1])
    else
        return 0
    end
    """
    result = r.eval(release_script, 1, f"lock:{resource}", token)
    return bool(result)

# Usage
token = acquire_lock("order:payment:123")
if token:
    try:
        process_payment()
    finally:
        release_lock("order:payment:123", token)

マルチノード設定の場合、フルRedlockアルゴリズムを実装する redlock-py ライブラリを使用してください。

Pub/Sub & Streams

Pub/Sub (Fire-and-Forget)

# Publisher
def publish_event(channel: str, payload: dict):
    r.publish(channel, json.dumps(payload))

# Subscriber (blocking — run in separate thread/process)
def subscribe_events(channel: str):
    pubsub = r.pubsub()
    pubsub.subscribe(channel)
    for message in pubsub.listen():
        if message['type'] == 'message':
            handle(json.loads(message['data']))

Redis Streams (Durable Queue)

# Producer
def emit(stream: str, event: dict):
    r.xadd(stream, event, maxlen=10000)  # Cap stream length

# Consumer group — guarantees at-least-once delivery
try:
    r.xgroup_create('events:orders', 'processor', id='0', mkstream=True)
except Exception:
    pass  # Group already exists

def consume(stream: str, group: str, consumer: str):
    while True:
        messages = r.xreadgroup(group, consumer, {stream: '>'}, count=10, block=2000)
        for _, entries in (messages or []):
            for msg_id, data in entries:
                process(data)
                r.xack(stream, group, msg_id)

配信保証、コンシューマーグループ、または再生が必要な場合、Pub/Sub代わりにStreamsを優先してください。

Key Design

Naming Conventions

# Pattern: resource:id:field
user:123:profile
order:456:status
cache:product:789

# Pattern: namespace:resource:id
myapp:session:abc123
myapp:ratelimit:user:123

# Pattern: resource:date (time-bound keys)
stats:pageviews:2024-01-01

TTL Strategy

Data Type	Suggested TTL
User session	24h (86400)
API response cache	5–15 min
Rate limit window	Match window size
Short-lived tokens	5–10 min
Leaderboard	1h–24h
Static/reference data	1h–1 week

常にTTLを設定してください。TTLなしのキーは無限に蓄積してメモリ圧力を引き起こします。

Connection Management

Connection Pooling

from redis import ConnectionPool, Redis

pool = ConnectionPool(
    host='localhost',
    port=6379,
    db=0,
    max_connections=20,
    decode_responses=True,
    socket_connect_timeout=2,
    socket_timeout=2,
)

r = Redis(connection_pool=pool)

Cluster Mode

from redis.cluster import RedisCluster

r = RedisCluster(
    startup_nodes=[{"host": "redis-1", "port": 6379}],
    decode_responses=True,
    skip_full_coverage_check=True,
)

Sentinel (High Availability)

from redis.sentinel import Sentinel

sentinel = Sentinel(
    [('sentinel-1', 26379), ('sentinel-2', 26379)],
    socket_timeout=0.5,
)
master = sentinel.master_for('mymaster', decode_responses=True)
replica = sentinel.slave_for('mymaster', decode_responses=True)

Eviction Policies

Policy	Behavior	Best For
noeviction	Error on write when full	Queues / critical data
allkeys-lru	Evict least recently used	General cache
volatile-lru	LRU only among keys with TTL	Mixed data store
allkeys-lfu	Evict least frequently used	Skewed access patterns
volatile-ttl	Evict soonest-to-expire	Prioritize long-lived data

redis.confを通じて設定：maxmemory-policy allkeys-lru

Anti-Patterns

Anti-Pattern	Problem	Fix
Keys with no TTL	Memory grows unbounded	Always set TTL
KEYS * in production	Blocks the server (O(N))	Use SCAN cursor
Storing large blobs (>100KB)	Slow serialization, memory pressure	Store reference + fetch from object store
Single Redis for everything	No isolation between cache & queue	Use separate DBs or instances
Ignoring connection pool limits	Connection exhaustion under load	Size pool to workload
Not handling cache miss stampede	Thundering herd on cold start	Use locks or probabilistic early expiry
FLUSHALL without thought	Wipes entire instance	Scope deletes by key pattern

Cache Miss Stampede Prevention

import threading

_locks: dict[str, threading.Lock] = {}
_locks_mutex = threading.Lock()

def get_with_lock(key: str, fetch_fn, ttl: int = 300):
    cached = r.get(key)
    if cached:
        return json.loads(cached)

    with _locks_mutex:
        if key not in _locks:
            _locks[key] = threading.Lock()
        lock = _locks[key]
    with lock:
        cached = r.get(key)  # Re-check after acquiring lock
        if cached:
            return json.loads(cached)
        value = fetch_fn()
        r.setex(key, ttl, json.dumps(value))
        return value

マルチプロセスデプロイメント：インプロセスロックを上記の分散ロックセクション から acquire_lock/release_lock に置き換えてください。

Examples

Django/Flask APIエンドポイントにキャッシング追加： レスポンスに5分TTLでCache-asideを使用。リクエストパラメータでキーを指定。

ユーザーごとにAPIレート制限： 低トラフィックエンドポイントに固定ウィンドウを pipeline(transaction=True) で使用；正確なユーザーごと制限にはsliding-windowの Lua使用。

ワーカー間のバックグラウンドジョブ調整： 予想ジョブ期間を超えるTTLで acquire_lock を使用。常に finally ブロックでリリース。

複数購読者への通知のファンアウト： ファイアアンドフォーゲットにPub/Subを使用。保証配信または再生が必要な場合、Streamsに切り替え。

Quick Reference

Pattern	When to Use
Cache-aside	Read-heavy, tolerate slight staleness
Write-through	Strong consistency required
Distributed lock	Prevent concurrent access to a resource
Sliding window rate limit	Accurate per-user throttling
Redis Streams	Durable event queue with consumer groups
Pub/Sub	Broadcast with no delivery guarantees needed
Sorted Set leaderboard	Ranked scoring, pagination
HyperLogLog	Approximate unique count at low memory

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