الفصل 2: ذاكرة التخزين المؤقت مع Spring Cache وRedis

أهداف الفصل

• فهم مفاهيم التخزين المؤقت
• إعداد Spring Cache مع Redis
• استخدام التعليقات التوضيحية @Cacheable, @CacheEvict, @CachePut
• تنفيذ استراتيجيات تخزين مؤقت فعالة
• إدارة انتهاء الصلاحية والإبطال

---

1. مقدمة في التخزين المؤقت

1.1 لماذا التخزين المؤقت

بدون ذاكرة التخزين المؤقت:
العميل → API → الخدمة → قاعدة البيانات → الخدمة → API → العميل
         ↓                  ↓
       10ms              100ms = 110ms إجمالي

مع ذاكرة التخزين المؤقت:
العميل → API → ذاكرة التخزين المؤقت → API → العميل
         ↓       ↓
       10ms    1ms = 11ms إجمالي (أسرع 10 مرات)

1.2 أنواع ذاكرة التخزين المؤقت

النوع	الوصف	المثال
محلي	ذاكرة التطبيق	ConcurrentHashMap، Caffeine
موزع	خادم خارجي مشترك	Redis، Memcached
CDN	محتوى ثابت	CloudFlare، AWS CloudFront

1.3 استراتيجيات ذاكرة التخزين المؤقت

الاستراتيجية	الوصف	الاستخدام
Cache-Aside	التطبيق يدير الذاكرة	عام
Read-Through	الذاكرة تدير القراءات	قراءات متكررة
Write-Through	الكتابة في الذاكرة وقاعدة البيانات	اتساق قوي
Write-Behind	الكتابة في الذاكرة، قاعدة البيانات غير متزامنة	الأداء

---

2. إعداد Spring Cache مع Redis

2.1 تبعيات Maven

<dependencies>
    <!-- Spring Cache -->
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-cache</artifactId>
    </dependency>
    
    <!-- Redis -->
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
    </dependency>
    
    <!-- Pool de connexions -->
    <dependency>
        <groupId>org.apache.commons</groupId>
        <artifactId>commons-pool2</artifactId>
    </dependency>
</dependencies>

2.2 إعداد application.yml

spring:
  data:
    redis:
      host: localhost
      port: 6379
      password: ""
      timeout: 2000ms
      lettuce:
        pool:
          max-active: 8
          max-idle: 8
          min-idle: 2
          max-wait: -1ms

  cache:
    type: redis
    redis:
      time-to-live: 3600000  # 1 ساعة بالمللي ثانية
      cache-null-values: false
      use-key-prefix: true
      key-prefix: "myapp:"

2.3 إعداد Java

package com.example.cache.config;

import org.springframework.cache.annotation.EnableCaching;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.data.redis.cache.RedisCacheConfiguration;
import org.springframework.data.redis.cache.RedisCacheManager;
import org.springframework.data.redis.connection.RedisConnectionFactory;
import org.springframework.data.redis.serializer.GenericJackson2JsonRedisSerializer;
import org.springframework.data.redis.serializer.RedisSerializationContext;
import org.springframework.data.redis.serializer.StringRedisSerializer;

import java.time.Duration;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

@Configuration
@EnableCaching
public class CacheConfig {
    
    @Bean
    public RedisCacheManager cacheManager(RedisConnectionFactory connectionFactory) {
        // الإعداد الافتراضي
        RedisCacheConfiguration defaultConfig = RedisCacheConfiguration.defaultCacheConfig()
            .entryTtl(Duration.ofHours(1))
            .serializeKeysWith(
                RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(
                    new StringRedisSerializer()))
            .serializeValuesWith(
                RedisSerializationContext.SerializationPair.fromSerializer(
                    new GenericJackson2JsonRedisSerializer()))
            .disableCachingNullValues();
        
        // إعدادات محددة لكل ذاكرة
        Map<String, RedisCacheConfiguration> cacheConfigs = new HashMap<>();
        
        // ذاكرة المنتجات: TTL 30 دقيقة
        cacheConfigs.put("products", defaultConfig.entryTtl(Duration.ofMinutes(30)));
        
        // ذاكرة المستخدمين: TTL 1 ساعة
        cacheConfigs.put("users", defaultConfig.entryTtl(Duration.ofHours(1)));
        
        // ذاكرة البحث: TTL 5 دقائق
        cacheConfigs.put("search", defaultConfig.entryTtl(Duration.ofMinutes(5)));
        
        return RedisCacheManager.builder(connectionFactory)
            .cacheDefaults(defaultConfig)
            .withInitialCacheConfigurations(cacheConfigs)
            .transactionAware()
            .build();
    }
}

---

3. التعليقات التوضيحية للذاكرة

3.1 @Cacheable

تخزن نتيجة طريقة في الذاكرة.

@Service
public class ProductService {
    
    private final ProductRepository productRepository;
    
    public ProductService(ProductRepository productRepository) {
        this.productRepository = productRepository;
    }
    
    // ذاكرة بسيطة مع ID كمفتاح
    @Cacheable(value = "products", key = "#id")
    public Product getProductById(Long id) {
        log.info("Fetching product {} from database", id);
        return productRepository.findById(id)
            .orElseThrow(() -> new ProductNotFoundException(id));
    }
    
    // ذاكرة مع مفتاح مركب
    @Cacheable(value = "products", key = "#category + '_' + #page")
    public List<Product> getProductsByCategory(String category, int page) {
        log.info("Fetching products for category {} page {}", category, page);
        return productRepository.findByCategory(category, PageRequest.of(page, 20));
    }
    
    // ذاكرة شرطية
    @Cacheable(value = "products", key = "#id", condition = "#id > 0")
    public Product getProductConditional(Long id) {
        return productRepository.findById(id).orElse(null);
    }
    
    // لا تخزن إذا كانت النتيجة null
    @Cacheable(value = "products", key = "#id", unless = "#result == null")
    public Product getProductUnlessNull(Long id) {
        return productRepository.findById(id).orElse(null);
    }
}

3.2 @CacheEvict

تحذف إدخالات من الذاكرة.

@Service
public class ProductService {
    
    // تحذف إدخالًا محددًا
    @CacheEvict(value = "products", key = "#id")
    public void deleteProduct(Long id) {
        productRepository.deleteById(id);
    }
    
    // تحذف جميع الإدخالات من الذاكرة
    @CacheEvict(value = "products", allEntries = true)
    public void clearProductCache() {
        log.info("Product cache cleared");
    }
    
    // تحذف قبل التنفيذ
    @CacheEvict(value = "products", key = "#id", beforeInvocation = true)
    public void deleteProductBeforeInvocation(Long id) {
        productRepository.deleteById(id);
    }
    
    // تحذف بعد التحديث
    @CacheEvict(value = "products", key = "#product.id")
    public Product updateProduct(Product product) {
        return productRepository.save(product);
    }
}

3.3 @CachePut

تحدث الذاكرة دون التحقق من وجودها.

@Service
public class ProductService {
    
    // تحدث الذاكرة بالمنتج الجديد
    @CachePut(value = "products", key = "#product.id")
    public Product createProduct(Product product) {
        return productRepository.save(product);
    }
    
    // تحدث الذاكرة بعد التعديل
    @CachePut(value = "products", key = "#result.id")
    public Product updateProduct(Long id, ProductRequest request) {
        Product product = productRepository.findById(id)
            .orElseThrow(() -> new ProductNotFoundException(id));
        product.setName(request.getName());
        product.setPrice(request.getPrice());
        return productRepository.save(product);
    }
}

3.4 @Caching (التجميع)

@Service
public class ProductService {
    
    @Caching(
        put = { @CachePut(value = "products", key = "#result.id") },
        evict = { 
            @CacheEvict(value = "productList", allEntries = true),
            @CacheEvict(value = "search", allEntries = true)
        }
    )
    public Product saveProduct(Product product) {
        return productRepository.save(product);
    }
}

3.5 @CacheConfig (إعداد الفئة)

@Service
@CacheConfig(cacheNames = "products")
public class ProductService {
    
    @Cacheable(key = "#id")  // تستخدم الذاكرة "products"
    public Product getById(Long id) { ... }
    
    @CacheEvict(key = "#id")  // تستخدم الذاكرة "products"
    public void delete(Long id) { ... }
}

---

4. مفاتيح ذاكرة مخصصة

4.1 SpEL للمفاتيح

// معلمة بسيطة
@Cacheable(key = "#id")

// خاصية كائن
@Cacheable(key = "#product.id")

// دمج
@Cacheable(key = "#category + ':' + #page")

// طريقة على المعلمة
@Cacheable(key = "#name.toLowerCase()")

// نتيجة (لـ @CachePut)
@CachePut(key = "#result.id")

// متغيرات الجذر
@Cacheable(key = "#root.method.name + '_' + #id")
@Cacheable(key = "#root.targetClass.simpleName + '_' + #id")

4.2 مولد مفتاح مخصص

@Configuration
public class CacheConfig {
    
    @Bean
    public KeyGenerator customKeyGenerator() {
        return (target, method, params) -> {
            StringBuilder sb = new StringBuilder();
            sb.append(target.getClass().getSimpleName());
            sb.append(".");
            sb.append(method.getName());
            for (Object param : params) {
                sb.append("_");
                sb.append(param != null ? param.toString() : "null");
            }
            return sb.toString();
        };
    }
}

@Cacheable(value = "products", keyGenerator = "customKeyGenerator")
public List<Product> searchProducts(String name, String category, Double maxPrice) {
    // مفتاح مولد: ProductService.searchProducts_laptop_electronics_1000.0
    return productRepository.search(name, category, maxPrice);
}

---

5. RedisTemplate للعمليات المتقدمة

5.1 الإعداد

@Configuration
public class RedisConfig {
    
    @Bean
    public RedisTemplate<String, Object> redisTemplate(
            RedisConnectionFactory connectionFactory) {
        RedisTemplate<String, Object> template = new RedisTemplate<>();
        template.setConnectionFactory(connectionFactory);
        
        // تسلسل المفاتيح إلى String
        template.setKeySerializer(new StringRedisSerializer());
        template.setHashKeySerializer(new StringRedisSerializer());
        
        // تسلسل القيم إلى JSON
        template.setValueSerializer(new GenericJackson2JsonRedisSerializer());
        template.setHashValueSerializer(new GenericJackson2JsonRedisSerializer());
        
        template.afterPropertiesSet();
        return template;
    }
}

5.2 العمليات

@Service
public class RedisCacheService {
    
    private final RedisTemplate<String, Object> redisTemplate;
    
    public RedisCacheService(RedisTemplate<String, Object> redisTemplate) {
        this.redisTemplate = redisTemplate;
    }
    
    // عمليات String
    public void setValue(String key, Object value, Duration ttl) {
        redisTemplate.opsForValue().set(key, value, ttl);
    }
    
    public Object getValue(String key) {
        return redisTemplate.opsForValue().get(key);
    }
    
    public Boolean setIfAbsent(String key, Object value, Duration ttl) {
        return redisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, value, ttl);
    }
    
    // عمليات Hash
    public void setHashField(String key, String field, Object value) {
        redisTemplate.opsForHash().put(key, field, value);
    }
    
    public Object getHashField(String key, String field) {
        return redisTemplate.opsForHash().get(key, field);
    }
    
    public Map<Object, Object> getHash(String key) {
        return redisTemplate.opsForHash().entries(key);
    }
    
    // عمليات List
    public void addToList(String key, Object value) {
        redisTemplate.opsForList().rightPush(key, value);
    }
    
    public List<Object> getList(String key, long start, long end) {
        return redisTemplate.opsForList().range(key, start, end);
    }
    
    // عمليات Set
    public void addToSet(String key, Object... values) {
        redisTemplate.opsForSet().add(key, values);
    }
    
    public Set<Object> getSet(String key) {
        return redisTemplate.opsForSet().members(key);
    }
    
    // TTL والحذف
    public Boolean expire(String key, Duration ttl) {
        return redisTemplate.expire(key, ttl);
    }
    
    public Boolean delete(String key) {
        return redisTemplate.delete(key);
    }
    
    public Long deleteByPattern(String pattern) {
        Set<String> keys = redisTemplate.keys(pattern);
        if (keys != null && !keys.isEmpty()) {
            return redisTemplate.delete(keys);
        }
        return 0L;
    }
    
    public Boolean hasKey(String key) {
        return redisTemplate.hasKey(key);
    }
}

---

6. أنماط الذاكرة

6.1 Cache-Aside (التحميل الكسول)

@Service
public class ProductCacheService {
    
    private final ProductRepository repository;
    private final RedisTemplate<String, Product> redisTemplate;
    private static final Duration CACHE_TTL = Duration.ofMinutes(30);
    
    public Product getProduct(Long id) {
        String key = "product:" + id;
        
        // 1. التحقق من الذاكرة
        Product cached = redisTemplate.opsForValue().get(key);
        if (cached != null) {
            return cached;
        }
        
        // 2. فقدان الذاكرة: التحميل من قاعدة البيانات
        Product product = repository.findById(id)
            .orElseThrow(() -> new ProductNotFoundException(id));
        
        // 3. التخزين في الذاكرة
        redisTemplate.opsForValue().set(key, product, CACHE_TTL);
        
        return product;
    }
    
    public void updateProduct(Product product) {
        // 1. التحديث في قاعدة البيانات
        repository.save(product);
        
        // 2. إبطال الذاكرة
        String key = "product:" + product.getId();
        redisTemplate.delete(key);
    }
}

6.2 Write-Through

@Service
public class ProductWriteThroughService {
    
    public Product saveProduct(Product product) {
        // 1. الحفظ في قاعدة البيانات
        Product saved = repository.save(product);
        
        // 2. التحديث في الذاكرة فورًا
        String key = "product:" + saved.getId();
        redisTemplate.opsForValue().set(key, saved, CACHE_TTL);
        
        return saved;
    }
}

6.3 Cache Warming (التسخين المسبق)

@Component
public class CacheWarmer implements ApplicationRunner {
    
    private final ProductRepository productRepository;
    private final RedisTemplate<String, Product> redisTemplate;
    
    @Override
    public void run(ApplicationArguments args) {
        log.info("Warming up product cache...");
        
        // تحميل المنتجات الشعبية عند بدء التشغيل
        List<Product> popularProducts = productRepository.findTop100ByOrderBySalesDesc();
        
        popularProducts.forEach(product -> {
            String key = "product:" + product.getId();
            redisTemplate.opsForValue().set(key, product, Duration.ofHours(24));
        });
        
        log.info("Cache warmed with {} products", popularProducts.size());
    }
}

---

7. إدارة الأخطاء

7.1 CacheErrorHandler

@Configuration
@EnableCaching
public class CacheConfig extends CachingConfigurerSupport {
    
    @Override
    public CacheErrorHandler errorHandler() {
        return new SimpleCacheErrorHandler() {
            @Override
            public void handleCacheGetError(RuntimeException ex, Cache cache, Object key) {
                log.warn("Cache get error for key {} in cache {}: {}", 
                    key, cache.getName(), ex.getMessage());
                // لا تقم بنشر الخطأ - استمر بدون ذاكرة
            }
            
            @Override
            public void handleCachePutError(RuntimeException ex, Cache cache, 
                    Object key, Object value) {
                log.warn("Cache put error for key {} in cache {}: {}", 
                    key, cache.getName(), ex.getMessage());
            }
            
            @Override
            public void handleCacheEvictError(RuntimeException ex, Cache cache, Object key) {
                log.warn("Cache evict error for key {} in cache {}: {}", 
                    key, cache.getName(), ex.getMessage());
            }
            
            @Override
            public void handleCacheClearError(RuntimeException ex, Cache cache) {
                log.warn("Cache clear error for cache {}: {}", 
                    cache.getName(), ex.getMessage());
            }
        };
    }
}

---

8. المراقبة

8.1 Actuator Endpoints

management:
  endpoints:
    web:
      exposure:
        include: health,caches,metrics
  endpoint:
    caches:
      enabled: true

# قائمة الذاكرات
curl http://localhost:8080/actuator/caches

# مقاييس الذاكرة
curl http://localhost:8080/actuator/metrics/cache.gets
curl http://localhost:8080/actuator/metrics/cache.puts
curl http://localhost:8080/actuator/metrics/cache.evictions

8.2 مقاييس مخصصة

@Service
public class ProductService {
    
    private final MeterRegistry meterRegistry;
    private final Counter cacheHits;
    private final Counter cacheMisses;
    
    public ProductService(MeterRegistry meterRegistry) {
        this.meterRegistry = meterRegistry;
        this.cacheHits = meterRegistry.counter("product.cache.hits");
        this.cacheMisses = meterRegistry.counter("product.cache.misses");
    }
    
    public Product getProduct(Long id) {
        Product cached = getFromCache(id);
        if (cached != null) {
            cacheHits.increment();
            return cached;
        }
        
        cacheMisses.increment();
        return loadFromDatabase(id);
    }
}

---

9. ملخص

التعليقات التوضيحية

التعليق التوضيحي	الإجراء
@Cacheable	يقرأ من الذاكرة أو ينفذ ويخزن
@CachePut	ينفذ دائمًا ويحدث الذاكرة
@CacheEvict	يحذف من الذاكرة
@Caching	يجمع بين عدة تعليقات توضيحية
@CacheConfig	إعداد على مستوى الفئة

أفضل الممارسات

1. تحديد TTL مناسب لكل نوع من البيانات
2. استخدام مفاتيح ذات معنى ومتسقة
3. إبطال الذاكرة عند التحديثات
4. إدارة أخطاء Redis برفق
5. مراقبة نسب hit/miss
6. عدم تخزين البيانات الحساسة
7. التخطيط للتسخين المسبق للذاكرة للبيانات الحرجة

---

الفصل التالي: المراسلة مع RabbitMQ

العودة إلى الوحدة 14