ExpressJS (TypeScript) – 效能優化

主題：快取（Redis）

---

簡介

在 Web 應用程式中，IO（磁碟、資料庫） 常是效能瓶頸。即使使用了 Node.js 的非阻塞特性，當每一次請求都必須向後端資料庫發出查詢時，延遲仍會累積，導致使用者體驗不佳。
快取（Cache）正是解決此問題的關鍵手段，而 Redis 以其高速的記憶體存取、豐富的資料結構與簡潔的 API，成為 Node.js（含 TypeScript）生態系統中最常見的快取方案。

本篇文章將從 概念、實作、常見陷阱 到 最佳實踐，一步步帶你在 ExpressJS + TypeScript 專案中導入 Redis 快取，讓 API 響應時間從毫秒級降到 微秒級，同時保持程式碼可讀、易維護。

---

核心概念

1️⃣ 為什麼要使用 Redis 作為快取層

特性	為什麼重要
記憶體儲存	讀寫速度遠快於磁碟或網路資料庫（數十萬 QPS）
支援多種資料結構（String、Hash、Set、Sorted Set、List）	可依需求存放不同型別的資料，例如排行榜、會話資訊、JSON 物件等
單機/叢集模式	從開發環境的單點部署到生產環境的分片叢集，都能無縫擴充
TTL（Time‑to‑Live）	自動過期機制避免陳舊資料佔用記憶體
Pub/Sub、Lua Script	進階需求（如分布式鎖、原子操作）亦可在快取層完成

2️⃣ Redis 與 Express 的整合流程

1. 建立 Redis 連線池（使用 ioredis 或 redis 官方套件）
2. 在 Middleware 中檢查快取：先從 Redis 讀取，若命中則直接回傳；未命中則往下傳遞至 controller。
3. 在 Controller 完成資料庫查詢後，將結果寫入快取（設定適當 TTL）
4. 統一錯誤處理：Redis 失效時不應影響主流程，僅記錄日誌即可。

下面的程式碼示範了這個流程的最小實作。

3️⃣ 主要 Redis 操作類型

操作	說明	範例
GET / SET	讀寫字串	await redis.get(key)、await redis.set(key, value, 'EX', ttl)
HGETALL / HSET	讀寫 Hash（適合存 JSON 物件）	await redis.hgetall(key)
INCR / DECR	原子遞增/遞減（計數器）	await redis.incr(key)
ZADD / ZRANGE	有序集合（排行榜）	await redis.zadd('score', score, member)
EXPIRE	設定過期時間	await redis.expire(key, ttl)

---

程式碼範例

以下範例採用 TypeScript、Express 5（尚在 beta）以及 ioredis（官方推薦的 Redis 客戶端），每段程式碼都附有說明註解，方便初學者快速上手。

3.1 初始化 Redis 連線（Singleton）

// src/lib/redis.ts
import IORedis from 'ioredis';

class RedisClient {
  private static instance: IORedis.Redis;

  private constructor() {}

  /** 取得唯一的 Redis 連線實例 */
  public static getInstance(): IORedis.Redis {
    if (!RedisClient.instance) {
      // 讀取環境變數，支援本機或雲端 Redis 服務
      const REDIS_URL = process.env.REDIS_URL || 'redis://127.0.0.1:6379';
      RedisClient.instance = new IORedis(REDIS_URL, {
        // 連線失敗自動重試
        retryStrategy: (times) => Math.min(times * 200, 2000),
      });

      RedisClient.instance.on('error', (err) => {
        console.error('❌ Redis 連線錯誤:', err);
      });
    }
    return RedisClient.instance;
  }
}

export default RedisClient;

重點：使用 Singleton 確保全域只建立一次連線，避免過多 socket 耗盡系統資源。

---

3.2 快取 Middleware（先讀快取）

// src/middleware/cache.ts
import { Request, Response, NextFunction } from 'express';
import RedisClient from '../lib/redis';

/**
 * 依據請求的 URL 作為快取鍵（簡單示範，實務上可自行定義更具辨識度的 key）
 */
export async function cacheMiddleware(req: Request, res: Response, next: NextFunction) {
  const redis = RedisClient.getInstance();
  const cacheKey = `cache:${req.originalUrl}`;

  try {
    const cached = await redis.get(cacheKey);
    if (cached) {
      // 命中快取，直接回傳 JSON
      res.setHeader('X-Cache', 'HIT');
      return res.json(JSON.parse(cached));
    }
    // 未命中，將快取鍵暫存於 res.locals，供後續寫入
    res.locals.cacheKey = cacheKey;
    res.setHeader('X-Cache', 'MISS');
    next();
  } catch (err) {
    // Redis 錯誤不阻斷請求流程
    console.warn('⚠️ Redis 讀取失敗，直接跳過快取', err);
    next();
  }
}

技巧：在回應前把 cacheKey 存到 res.locals，可在 controller 完成後直接使用，避免再次產生鍵名。

---

3.3 Controller 範例 – 讀取資料庫後寫入快取

// src/controllers/userController.ts
import { Request, Response } from 'express';
import RedisClient from '../lib/redis';
import { getUserById } from '../services/userService'; // 假設是 DB 查詢

export async function getUser(req: Request, res: Response) {
  const { id } = req.params;
  const user = await getUserById(id); // 可能是 Prisma / TypeORM 等

  // 若未找到，回傳 404
  if (!user) {
    return res.status(404).json({ message: 'User not found' });
  }

  // 寫入快取，設定 60 秒過期
  const cacheKey = res.locals.cacheKey as string;
  if (cacheKey) {
    const redis = RedisClient.getInstance();
    try {
      await redis.set(cacheKey, JSON.stringify(user), 'EX', 60);
    } catch (err) {
      console.warn('⚠️ Redis 寫入失敗', err);
    }
  }

  return res.json(user);
}

---

3.4 使用 Hash 結構快取 JSON（避免序列化/反序列化開銷）

// src/services/productService.ts
import RedisClient from '../lib/redis';
import { queryProductById } from './db';

export async function getProduct(id: string) {
  const redis = RedisClient.getInstance();
  const hashKey = `product:${id}`;

  // 嘗試從 Hash 讀取
  const cached = await redis.hgetall(hashKey);
  if (Object.keys(cached).length) {
    // Hash 內的每個欄位都是字串，需要自行轉型
    return {
      id: cached.id,
      name: cached.name,
      price: Number(cached.price),
      // ...其他欄位
    };
  }

  // DB 查詢
  const product = await queryProductById(id);
  if (!product) return null;

  // 寫入 Hash，並設定 5 分鐘 TTL
  await redis.hmset(hashKey, {
    id: product.id,
    name: product.name,
    price: product.price.toString(),
    // ...其他欄位
  });
  await redis.expire(hashKey, 300);

  return product;
}

說明：使用 HMSET（或 HSET）可以一次寫入多個欄位，對於結構化資料比單純的 SET 更有效率。

---

3.5 分布式鎖（防止 Cache Stampede）

當大量請求同時「未命中」快取，會同時衝擊資料庫，產生 Cache Stampede。以下示範如何使用 Redis 的 SET NX EX 搭配簡易鎖：

// src/middleware/cacheWithLock.ts
import { Request, Response, NextFunction } from 'express';
import RedisClient from '../lib/redis';
import crypto from 'crypto';

export async function cacheWithLock(req: Request, res: Response, next: NextFunction) {
  const redis = RedisClient.getInstance();
  const cacheKey = `cache:${req.originalUrl}`;
  const lockKey = `${cacheKey}:lock`;
  const lockTTL = 5; // 秒

  try {
    const cached = await redis.get(cacheKey);
    if (cached) {
      res.setHeader('X-Cache', 'HIT');
      return res.json(JSON.parse(cached));
    }

    // 嘗試取得鎖，若失敗則稍等再重試（避免同時大量 DB 查詢）
    const lockId = crypto.randomUUID();
    const acquired = await redis.set(lockKey, lockId, 'NX', 'EX', lockTTL);
    if (!acquired) {
      // 等待 100ms 後再檢查一次快取
      setTimeout(async () => {
        const retry = await redis.get(cacheKey);
        if (retry) {
          res.setHeader('X-Cache', 'HIT (after wait)');
          return res.json(JSON.parse(retry));
        }
        // 若仍無快取，直接放行讓 controller 查 DB
        res.locals.cacheKey = cacheKey;
        res.locals.lockKey = lockKey;
        res.locals.lockId = lockId;
        next();
      }, 100);
      return;
    }

    // 成功取得鎖，放行給 controller
    res.locals.cacheKey = cacheKey;
    res.locals.lockKey = lockKey;
    res.locals.lockId = lockId;
    next();
  } catch (err) {
    console.warn('⚠️ Cache with lock 發生錯誤', err);
    next();
  }
}

/**
 * 在 controller 完成後，釋放鎖
 */
export async function releaseLock(res: Response) {
  const redis = RedisClient.getInstance();
  const lockKey = res.locals.lockKey as string;
  const lockId = res.locals.lockId as string;

  // 使用 Lua Script 確保「只有自己」才能刪除鎖
  const script = `
    if redis.call("GET", KEYS[1]) == ARGV[1] then
      return redis.call("DEL", KEYS[1])
    else
      return 0
    end`;
  await redis.eval(script, 1, lockKey, lockId);
}

實務建議：在完成 DB 查詢、寫入快取後，務必呼叫 releaseLock(res)，否則鎖會自行過期，但仍可能造成不必要的等待。

---

常見陷阱與最佳實踐

陷阱	說明	解決方式
快取鍵命名衝突	不同路由、參數可能產生相同鍵	使用 命名空間（如 cache:/api/users/:id）或 Hash 分類
TTL 設定過長	陳舊資料仍被返回，造成資料不一致	根據資料變更頻率設計合理 TTL，必要時手動 invalidate
序列化成本	大量 JSON 轉字串會消耗 CPU	盡量使用 Hash 結構或 MessagePack（需要自行編碼）
Redis 單點故障	若 Redis 掛掉，整個服務會失效	採用 叢集模式、Sentinel 或 備援，且在程式中捕獲錯誤並 fallback
Cache Stampede	大量同時未命中導致 DB 暴衝	使用 分布式鎖、預熱快取 或 雙層快取（本地 LRU + Redis）
資料一致性	更新 DB 後未同步快取，造成舊資料	在寫入 DB 後 刪除或更新 相關快取鍵（Cache‑Aside Pattern）
過度快取	把所有 API 都快取，浪費記憶體	僅快取 讀取密集、變更較少 的端點；使用 Cache‑Control 標頭與 ETag 進行協調

最佳實踐清單

1. 統一快取鍵生成策略：建議寫一個 keyBuilder(route: string, params: any) 函式，保證全專案鍵名一致。
2. 使用 TypeScript 定義快取介面：讓快取資料的型別在編譯期就能檢查，減少 JSON 解析錯誤。
3. 監控與告警：利用 INFO 命令或 Redis Exporter（Prometheus）觀測命中率、記憶體使用率。
4. Graceful Shutdown：在 Node 終止時呼叫 redis.quit()，確保所有 pending 命令完成。
5. 測試快取行為：在單元測試中使用 ioredis-mock 或 Docker 搭建臨時 Redis，驗證 Cache‑Aside 流程。

---

實際應用場景

場景	為何需要快取	快取設計範例
商品列表（電商）	前端會頻繁請求同一頁面的商品，且商品變動相對較慢	使用 Sorted Set 保存 price 或 sales 排序，TTL 30 秒；同時在 DB 更新時刪除對應鍵。
使用者會話（Auth）	每次驗證 token 需要查 DB，負載高	直接把 JWT 解析結果存入 String，TTL 設為 token 有效期（如 1 小時）。
排行榜（遊戲）	即時排名需要高頻讀寫	使用 ZADD/ZRANGE，每次變更只更新分數，讀取時直接從 Redis 拉取前 100 名。
天氣/匯率等外部 API	第三方服務有呼叫限制，且資料每分鐘才更新一次	把外部 API 回傳的 JSON 存入 String，TTL 60 秒，避免短時間內重複呼叫外部服務。
報表統計（BI）	大量聚合查詢耗時，且結果在短時間內不變	把聚合結果寫入 Hash，TTL 5 分鐘；若使用者點選不同維度，先檢查快取再決定是否重新計算。

---

總結

• Redis 為 ExpressJS + TypeScript 應用提供了 毫秒級 的讀寫效能，是提升 API 響應速度的首選快取方案。
• 透過 Cache‑Aside（先查快取、未命中再查 DB，最後寫回快取）模式，我們可以在不改變現有資料庫結構的前提下，平滑導入快取層。
• 正確的鍵命名、TTL 設計、錯誤容錯 與 防止 Cache Stampede 的機制，是確保快取系統穩定運作的關鍵。
• 在實務開發中，先快取最熱的讀取端點，配合 監控命中率 與 自動失效，即可在成本與效能之間取得最佳平衡。

掌握上述概念與範例後，你就能在 ExpressJS（TypeScript）專案中，快速建置可靠且高效的 Redis 快取層，讓使用者體驗升級，同時降低後端資料庫的負載。祝開發順利 🚀