


Steigern Sie Geschwindigkeit und Leistung mit erweitertem Caching in NestJS: Verwendung von AVL-B?umen und Redis
Dec 26, 2024 pm 12:15 PMIn der heutigen Welt sind Geschwindigkeit und Effizienz bei der Beantwortung von Anfragen für gro?e und stark frequentierte Systeme von gr??ter Bedeutung. Online-Plattformen wie E-Commerce-Websites, soziale Netzwerke und Bankdienstleistungen sind mit einem riesigen Datenvolumen und Benutzeranfragen konfrontiert. Diese hohe Nachfrage stellt nicht nur eine erhebliche Belastung für Server und Datenbanken dar, sondern kann auch die Benutzererfahrung erheblich beeintr?chtigen. In diesem Zusammenhang kann die Implementierung eines Caching-Systems eine wirksame L?sung sein, um die Leistung zu verbessern und die Ressourcenbelastung zu reduzieren.
In diesem Artikel untersuchen wir die Implementierung eines erweiterten Caching-Systems, das AVL-B?ume und Redis kombiniert. Dieses System umfasst Sicherheitsmechanismen, TTL-Management (Time to Live) und die Integration mit Redis, um Leistung und Flexibilit?t zu verbessern. Ziel ist es, die Vorteile beider Technologien zu nutzen und gleichzeitig ihre Schw?chen zu mildern.
Wichtiger Hinweis: Dieser Artikel wurde mit Hilfe künstlicher Intelligenz entwickelt.
Vor- und Nachteile der Kombination eines baumbasierten AVL-Caching-Systems mit Redis
Vorteile:
-
Verbesserte Ged?chtnisleistung:
- Intelligentes TTL-Management: Durch die Verwendung eines AVL-Baums zur Verwaltung des Datenablaufs kann der Speicherverbrauch optimiert und die Aufbewahrung veralteter Daten verhindert werden. Dies ist besonders nützlich in Szenarien, in denen sich Daten schnell ?ndern und ein pr?zises Ablaufdatum erforderlich ist.
-
Erh?hte Sicherheit:
- Token-Validierung: Das Hinzufügen eines tokenbasierten Validierungsmechanismus erh?ht die Redis-Sicherheit. Diese zus?tzliche Sicherheitsschicht verhindert unbefugten Zugriff auf den Cache und erh?ht so die Gesamtsystemsicherheit.
-
Erweiterte TTL-Verwaltung:
- Benutzerdefinierte Ablaufrichtlinien: AVL-B?ume erm?glichen die Implementierung komplexerer und ma?geschneiderter Ablaufrichtlinien, die Redis m?glicherweise nicht standardm??ig unterstützt.
-
Verschiedene Datenstrukturen:
- Ausgewogene Baumstruktur: Als ausgewogene Datenstruktur k?nnen AVL-B?ume im Vergleich zu den Standarddatenstrukturen von Redis eine bessere Leistung für bestimmte Anwendungsf?lle bieten, die eine schnelle Suche und Sortierung erfordern.
-
Erh?hte Flexibilit?t und Anpassung:
- Gr??ere Anpassung: Die Kombination der beiden Systeme erm?glicht eine umfassendere Anpassung und erm?glicht die Entwicklung pr?ziserer und anwendungsspezifischerer L?sungen.
Nachteile:
-
Erh?hte architektonische Komplexit?t:
- Verwaltung von zwei Caching-Systemen: Die gleichzeitige Verwendung von Redis und einem AVL-Baum-basierten Caching-System erh?ht die architektonische Komplexit?t und erfordert eine koordinierte Verwaltung zwischen den beiden Systemen.
-
Erh?hter Zeitaufwand:
- Zus?tzliche Latenz: Das Hinzufügen einer zus?tzlichen Caching-Ebene kann zu Verz?gerungen führen. Es muss unbedingt sichergestellt werden, dass die Leistungsvorteile diese potenziellen Verz?gerungen überwiegen.
-
Datenpflege und Synchronisierung:
- Datenkonsistenz: Die Aufrechterhaltung der Konsistenz und Synchronisierung zwischen Redis und dem AVL-Baum ist entscheidend, um Datendiskrepanzen zu verhindern, die komplexe Synchronisierungsmechanismen erforderlich machen.
-
H?here Entwicklungs- und Wartungskosten:
- Erh?hte Kosten: Die Entwicklung und Wartung von zwei Caching-Systemen erfordert mehr Ressourcen und vielf?ltiges Fachwissen, was m?glicherweise die Gesamtkosten des Projekts erh?ht.
-
Sicherheitskomplexit?t:
- Sicherheitsrichtlinien koordinieren: Es kann eine Herausforderung sein, sicherzustellen, dass Sicherheitsrichtlinien in beiden Systemen korrekt und konsistent implementiert werden.
Implementierung des Caching-Systems mit AVL Trees und Redis
Im Folgenden stellen wir die professionelle Implementierung dieses Caching-Systems vor. Diese Implementierung umfasst einen AVL-Baum zum Verwalten von Daten mit TTL-Funktionen und Redis für eine schnelle Datenspeicherung.
1. AVL-Baum mit TTL
Zuerst implementieren wir den AVL-Baum mit TTL-Verwaltungsfunktionen.
// 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; } }
2. Cache-Dienst (CacheService) mit Redis-Integration
In diesem Abschnitt implementieren wir den Cache-Dienst, der sowohl den AVL-Baum als auch Redis für die Cache-Verwaltung nutzt. Darüber hinaus integrieren wir einen Token-Validierungsmechanismus.
// 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'); } } }
3. API-Controller (CacheController)
Der Controller verwaltet API-Anfragen an den Cache-Dienst.
// 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' }; } }
4. Cache-Modul (CacheModule)
Definiert das Cache-Modul, das den Dienst und den Controller verbindet und Redis einfügt.
// 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 {}
5. Redis-Konfiguration
Um Redis im NestJS-Projekt zu verwenden, verwenden wir das Paket @nestjs-modules/ioredis. Installieren Sie zun?chst das Paket:
npm install @nestjs-modules/ioredis ioredis
Konfigurieren Sie dann Redis im CacheModule wie oben gezeigt. Wenn Sie erweiterte Konfigurationen ben?tigen, k?nnen Sie separate Konfigurationsdateien verwenden.
6. Token-Validierungsmechanismus
Für die Verwaltung und Validierung von Token k?nnen verschiedene Strategien eingesetzt werden. In dieser einfachen Implementierung werden Token in einem festen Satz verwaltet. Für gr??ere Projekte wird empfohlen, JWT (JSON Web Tokens) oder andere erweiterte Sicherheitsmethoden zu verwenden.
7. Fehlerbehandlung und Eingabevalidierung
In dieser Implementierung werden DTO-Klassen (Data Transfer Object) zur Eingabevalidierung und Fehlerverwaltung verwendet. Darüber hinaus nutzt der Cache-Dienst eine allgemeine Fehlerbehandlung, um unerwartete Probleme zu verhindern.
8. Hauptanwendungsmodul (AppModule)
Schlie?lich fügen wir das Cache-Modul zum Hauptanwendungsmodul hinzu.
// 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; } }
9. Hauptanwendungsdatei (main.ts)
Die Hauptanwendungsdatei, die NestJS bootet.
// 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'); } } }
10. Testen und Ausführen der Anwendung
Nachdem Sie alle Komponenten implementiert haben, k?nnen Sie die Anwendung ausführen, um ihre Funktionalit?t sicherzustellen.
// 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' }; } }
11. Musteranfragen
Cache festlegen:
// 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 {}
Cache abrufen:
npm install @nestjs-modules/ioredis ioredis
Cache l?schen:
// src/app.module.ts import { Module } from '@nestjs/common'; import { CacheModule } from './cache/cache.module'; @Module({ imports: [CacheModule], controllers: [], providers: [], }) export class AppModule {}
Geeignete Anwendungsf?lle für die Kombination von Redis- und AVL-Baum-basierten Caching-Systemen
-
Bank- und Finanzsysteme:
- Verwaltung sensibler Sitzungen und Transaktionen: Hohe Sicherheit und pr?zises TTL-Management sind für sensible Finanzdaten unerl?sslich. Die Kombination von Token-Sicherheit und intelligentem TTL-Management ist in diesem Bereich ?u?erst vorteilhaft.
-
Hochfrequentierte E-Commerce-Plattformen:
- Produktdaten speichern und Einkaufswagen verwalten: Die Optimierung des Speichers und die Erh?hung der Datenzugriffsgeschwindigkeit sind entscheidend für die Verbesserung des Benutzererlebnisses in gro?en Online-Shops wie Amazon.
-
Messaging- und Social-Networking-Anwendungen:
- Speichern von Benutzerstatus in Echtzeit: Um den Online-/Offline-Status und die Nachrichten der Benutzer anzuzeigen, sind ein schneller Zugriff und eine pr?zise Datenverwaltung erforderlich.
-
Wetter- und W?hrungsumtauschanwendungen:
- API-Caching zur Reduzierung der Anforderungslast: Speichern von Ergebnissen komplexer Berechnungen und Live-Daten mit pr?ziser Ablaufverwaltung, um Benutzern aktuelle und schnelle Informationen bereitzustellen.
-
Content-Management-Systeme und Medienplattformen:
- Caching von stark frequentierten Seiten und Inhalten:Optimierung des Zugriffs auf h?ufig angesehene Inhalte und Reduzierung der Serverlast, um ein reibungsloseres Benutzererlebnis zu bieten.
-
Analytische Anwendungen und Echtzeit-Dashboards:
- Sofortige Analyseergebnisse speichern: Bereitstellung schneller und aktueller Analysedaten mithilfe mehrerer Caches zur Verbesserung der Leistung und Ergebnisgenauigkeit.
Abschluss
In diesem Artikel haben wir ein erweitertes Caching-System mithilfe von AVL-B?umen und Redis innerhalb des NestJS-Frameworks implementiert. Dieses System bietet erweitertes TTL-Management, tokenbasierte Sicherheit und Redis-Integration und bietet eine robuste und flexible L?sung für Anwendungen mit hoher Nachfrage. Die Kombination dieser beiden Technologien nutzt die St?rken beider, behebt die Schw?chen von Redis und verbessert die Gesamtcaching-Leistung.
Das obige ist der detaillierte Inhalt vonSteigern Sie Geschwindigkeit und Leistung mit erweitertem Caching in NestJS: Verwendung von AVL-B?umen und Redis. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!

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