Django و Redis: تسلط بر ذخیره‌سازی کش و سشن برای برنامه‌های کاربردی جهانی

در چشم انداز دیجیتال پرشتاب امروزی، ارائه یک تجربه کاربری یکپارچه و پربازده بسیار مهم است. برای برنامه های کاربردی وب، به ویژه آنهایی که به مخاطبان جهانی خدمات ارائه می دهند، کارایی و پاسخگویی فقط مطلوب نیستند. آنها ضروری هستند. فریم ورک Django پایتون، که به دلیل استحکام و سهولت استفاده برای توسعه دهندگان مشهور است، اغلب با گلوگاه های عملکرد مواجه می شود، به ویژه تحت بار سنگین یا با بازیابی داده های پیچیده. اینجاست که ابزارهای خارجی مانند Redis، یک فروشگاه ساختار داده در حافظه و متن باز، ارزشمند می شوند. این راهنمای جامع به بررسی نحوه استفاده موثر از Redis در پروژه های Django شما برای ذخیره سازی کش و سشن می پردازد، و اطمینان می دهد که برنامه های شما می توانند به طور جهانی مقیاس بندی شوند و کاربران را در سراسر جهان خشنود کنند.

درک نیاز: گلوگاه های عملکرد در برنامه های کاربردی وب

قبل از پرداختن به جزئیات ادغام Django و Redis، درک این موضوع ضروری است که چرا بهینه سازی عملکرد یک نبرد دائمی در توسعه وب است. مقصران رایج عبارتند از:

• پرس و جوهای پایگاه داده: واکشی مکرر داده های مشابه از یک پایگاه داده رابطه ای می تواند از نظر منابع فشرده باشد. پیوندهای پیچیده و مجموعه داده های بزرگ این مشکل را تشدید می کنند.
• تماس های API: تعامل با API های خارجی می تواند تأخیر ایجاد کند، به خصوص اگر آن API ها کند باشند یا از نظر جغرافیایی از کاربران شما دور باشند.
• محاسبات پیچیده: هر فرآیندی که شامل چرخه های CPU قابل توجهی برای تولید محتوا یا پردازش درخواست های کاربر باشد، می تواند سرعت برنامه شما را کاهش دهد.
• مدیریت سشن: ذخیره و بازیابی داده های سشن کاربر از پایگاه داده اصلی می تواند با افزایش تعداد کاربران فعال به یک گلوگاه تبدیل شود.
• ارائه فایل های استاتیک: در حالی که سرور توسعه Django برای آزمایش عالی است، استقرارهای تولید به مدیریت کارآمد دارایی های استاتیک نیاز دارند.

رفع این گلوگاه ها کلید ساخت برنامه های کاربردی مقیاس پذیر است. اینجاست که ذخیره سازی کش و مدیریت کارآمد سشن وارد عمل می شوند.

Redis چیست و چرا از آن استفاده کنیم؟

Redis، که مخفف Remote Dictionary Server است، یک فروشگاه پیشرفته کلید-مقدار در حافظه است. اغلب به عنوان یک سرور ساختار داده نامیده می شود زیرا از انواع داده های مختلفی مانند رشته ها، هش ها، لیست ها، مجموعه ها، مجموعه های مرتب شده با پرس و جوهای محدوده، بیت مپ ها، hyperloglog ها، شاخص های مکانی و جریان ها پشتیبانی می کند. مزایای اصلی آن عبارتند از:

• سرعت: Redis به عنوان یک فروشگاه در حافظه، تأخیر فوق العاده کمتری را برای عملیات خواندن و نوشتن ارائه می دهد، که به طور قابل توجهی سریعتر از پایگاه های داده مبتنی بر دیسک است.
• تطبیق پذیری: پشتیبانی آن از ساختارهای داده متنوع، آن را برای طیف گسترده ای از موارد استفاده فراتر از ذخیره سازی کش ساده کلید-مقدار مناسب می کند.
• ماندگاری: در حالی که Redis در حافظه است، گزینه هایی را برای ماندگاری داده ها در دیسک ارائه می دهد و از دوام اطمینان می دهد.
• مقیاس پذیری: Redis را می توان هم به صورت عمودی (سخت افزار قدرتمندتر) و هم به صورت افقی (خوشه بندی) مقیاس بندی کرد و آن را برای برنامه های کاربردی با پایگاه های کاربر رو به رشد مناسب می کند.
• عملیات اتمی: عملیات Redis اتمی هستند و یکپارچگی داده ها را حتی در سناریوهای دسترسی همزمان تضمین می کنند.

Redis برای ذخیره سازی کش در Django

ذخیره سازی کش فرآیند ذخیره سازی داده های پرکاربرد در یک مکان سریعتر و در دسترس تر (مانند Redis) است تا نیاز به واکشی آن از منابع کندتر (مانند پایگاه داده) کاهش یابد. در Django، Redis را می توان برای استراتژی های مختلف ذخیره سازی کش پیاده سازی کرد:

1. کش کردن همه

این ساده ترین شکل ذخیره سازی کش است، جایی که کل پاسخ ها کش می شوند. Django یک چارچوب کش داخلی ارائه می دهد که می تواند برای استفاده از Redis به عنوان باطن آن پیکربندی شود.

پیکربندی در settings.py

ابتدا، اطمینان حاصل کنید که کلاینت پایتون Redis را نصب کرده اید:

            pip install django-redis redis

            

              
                Copy
              
            
          

سپس، settings.py خود را پیکربندی کنید:

            CACHES = {
    'default': {
        'BACKEND': 'django_redis.cache.RedisCache',
        'LOCATION': 'redis://127.0.0.1:6379/1',
        'OPTIONS': {
            'CLIENT_CLASS': 'django_redis.client.DefaultClient',
        }
    }
}

            

              
                Copy
              
            
          

در این پیکربندی:

• BACKEND باطن کش Redis ارائه شده توسط django-redis را مشخص می کند.
• LOCATION رشته اتصال برای نمونه Redis شما است. redis://127.0.0.1:6379/1 میزبان، پورت و شماره پایگاه داده (1 در این مورد) را نشان می دهد.

طریقه استفاده

با این تنظیم، چارچوب کش Django به طور خودکار از Redis استفاده می کند. سپس می توانید از دکوراتورها یا تعاملات دستی کش استفاده کنید:

            from django.views.decorators.cache import cache_page

@cache_page(60 * 15)  # Cache for 15 minutes
def my_view(request):
    # ... expensive operations ...
    return HttpResponse('This content is cached!')

            

              
                Copy
              
            
          

2. کش کردن قطعه

کش کردن قطعه به شما امکان می دهد بخش های خاصی از یک الگو را کش کنید، مانند محاسبات پیچیده یا بخش های نمایش داده شده مکرر که با هر درخواست تغییر نمی کنند.

طریقه استفاده در الگوها

            
{% load cache %}

This part is always dynamic.

{% cache 500 sidebar request.user.id %}
    {# Content that changes based on user and is cached for 500 seconds #}
    

        
Item 1
        
Item 2
    
{% endcache %}

This part is also dynamic.

            

              
                Copy
              
            
          

در این مثال، محتوای داخل بلوک {% cache %} به مدت 500 ثانیه کش خواهد شد. آرگومان های اضافی (request.user.id) اطمینان می دهند که کلید کش برای هر کاربر منحصر به فرد است و قطعات کش شده شخصی سازی شده را ارائه می دهد.

3. API کش سطح پایین

برای کنترل دقیق تر، می توانید از API کش سطح پایین Django برای دریافت، تنظیم و حذف صریح ورودی های کش استفاده کنید.

            from django.core.cache import cache

# Set a value in the cache
cache.set('my_key', 'my_value', timeout=60 * 5) # Expires in 5 minutes

# Get a value from the cache
value = cache.get('my_key')

# Get a value with a default if it doesn't exist
default_value = 'default'
value = cache.get('non_existent_key', default=default_value)

# Delete a value from the cache
cache.delete('my_key')

            

              
                Copy
              
            
          

4. کش کردن نما (دکوراتور cache_page)

همانطور که قبلاً نشان داده شد، دکوراتور @cache_page یک راه اعلانی برای کش کردن کل خروجی یک تابع نما است. این برای صفحاتی که نیاز به به روز رسانی مکرر ندارند و اغلب به آنها دسترسی پیدا می شود ایده آل است.

5. کش کردن قطعه الگو (تگ cache)

تگ الگو {% cache %} برای کش کردن بخش هایی از خروجی HTML شما قدرتمند است. این یک مهلت زمانی و سپس تعداد متغیری از آرگومان های کلید کش را می پذیرد. این به ویژه برای اجزای پیچیده مانند منوهای ناوبری، لیست محصولات یا داشبوردهای خاص کاربر مفید است.

ملاحظات جهانی برای ذخیره سازی کش

• بی اعتبار کردن کش: این اغلب سخت ترین بخش ذخیره سازی کش است. اطمینان حاصل کنید که استراتژی برای حذف داده های قدیمی از کش در هنگام تغییر داده های زیربنایی دارید. این می تواند شامل حذف صریح با استفاده از API سطح پایین یا استفاده از انقضا بر اساس زمان باشد.
• کلیدهای کش: کلیدهای کش خود را با دقت طراحی کنید. آنها باید منحصر به فرد و توصیفی باشند. گنجاندن شناسه های کاربر، پارامترها یا برچسب های زمانی مربوطه می تواند به ایجاد ورودی های کش دانه ای کمک کند.
• داده های منطقه ای: اگر برنامه شما به کاربران در سطح جهانی با داده های خاص منطقه خدمات ارائه می دهد، ممکن است به نمونه های Redis جداگانه یا استراتژی برای ادغام منطقه در کلیدهای کش خود نیاز داشته باشید تا از ارائه داده های نادرست به کاربران در مناطق جغرافیایی مختلف جلوگیری کنید. به عنوان مثال، یک کلید کش ممکن است به این شکل باشد: 'products_us_123' یا 'products_eu_123'.
• متعادل کننده بار: هنگام مقیاس بندی برنامه Django خود در چندین سرور، اطمینان حاصل کنید که همه سرورهای برنامه به یک نمونه (های) Redis اشاره می کنند تا یک کش ثابت حفظ شود.

Redis برای ذخیره سازی سشن در Django

به طور پیش فرض، Django داده های سشن را در پایگاه داده اصلی شما ذخیره می کند. در حالی که این برای برنامه های کاربردی در مقیاس کوچک کار می کند، با رشد پایگاه کاربر شما می تواند به یک گلوگاه عملکرد قابل توجه تبدیل شود. انتقال ذخیره سازی سشن به Redis مزایای قابل توجهی را ارائه می دهد:

• کاهش بار پایگاه داده: تخلیه عملیات سشن پایگاه داده شما را آزاد می کند تا پرس و جوهای داده حیاتی را مدیریت کند.
• دسترسی سریعتر به سشن: ماهیت حافظه ای Redis خواندن و نوشتن سشن را فوق العاده سریع می کند.
• مقیاس پذیری: Redis می تواند حجم بسیار بیشتری از عملیات سشن را نسبت به یک پایگاه داده رابطه ای معمولی مدیریت کند.

پیکربندی در settings.py

برای پیکربندی Django برای استفاده از Redis برای ذخیره سازی سشن، دوباره از کتابخانه django-redis استفاده خواهید کرد. settings.py خود را به صورت زیر تغییر دهید:

            SESSION_ENGINE = 'django_redis.session'

# Optional: Configure the Redis connection specifically for sessions if needed
# By default, it will use the 'default' cache configuration.
# If you need a separate Redis instance or database for sessions:
SESSION_REDIS = {
    'HOST': 'localhost',
    'PORT': 6379,
    'DB': 2,  # Using a different database for sessions
    'PASSWORD': '',
    'PREFIX': 'session',
    'SOCKET_TIMEOUT': 1,
}

            

              
                Copy
              
            
          

در این پیکربندی:

• SESSION_ENGINE به Django می گوید که از باطن سشن Redis استفاده کند.
• SESSION_REDIS (اختیاری) به شما امکان می دهد جزئیات اتصال را برای ذخیره سازی سشن مشخص کنید، جدا از پیکربندی کلی ذخیره سازی کش خود. استفاده از شماره DB متفاوت یک روش خوب برای جدا کردن داده های سشن از داده های کش شده است.
• PREFIX برای سازماندهی کلیدها در Redis مفید است، به خصوص اگر از داده های Redis دیگری استفاده می کنید.

چگونه کار می کند

پس از پیکربندی، Django به طور خودکار داده های سشن را سریالی می کند، هنگام ذخیره سشن آن را به Redis می فرستد و هنگام دسترسی به سشن آن را از Redis بازیابی می کند. کلید سشن (یک شناسه منحصر به فرد برای سشن) همچنان در کوکی کاربر ذخیره می شود، اما داده های سشن واقعی در Redis قرار دارند.

ملاحظات جهانی برای ذخیره سازی سشن

• در دسترس بودن Redis: اطمینان حاصل کنید که نمونه Redis شما بسیار در دسترس است. اگر سرور Redis شما از کار بیفتد، کاربران ممکن است داده های سشن خود را از دست بدهند و منجر به تجربه ای ضعیف شود. Redis Sentinel یا Redis Cluster را برای در دسترس بودن بالا در نظر بگیرید.
• ادغام اتصال: برای برنامه های پر ترافیک، اتصالات Redis را به طور موثر مدیریت کنید. django-redis به طور پیش فرض ادغام اتصال را مدیریت می کند که برای عملکرد بسیار مهم است.
• اندازه داده: از ذخیره مقادیر بیش از حد داده در سشن خودداری کنید. اشیاء سشن بزرگ می توانند ترافیک شبکه و استفاده از حافظه Redis را افزایش دهند.
• امنیت: مانند هر داده حساسی، اطمینان حاصل کنید که نمونه Redis شما ایمن است، به خصوص اگر از طریق شبکه قابل دسترسی باشد. از رمز عبور و قوانین فایروال استفاده کنید. برای استقرارهای جهانی، تاخیر شبکه بین سرورهای Django و نمونه های Redis خود را در نظر بگیرید. قرار دادن نمونه های Redis از نظر جغرافیایی نزدیک به سرورهای برنامه شما می تواند این تاخیر را به حداقل برساند.

الگوهای پیشرفته Redis با Django

فراتر از ذخیره سازی کش و سشن اولیه، می توان از ساختارهای داده غنی Redis برای عملکردهای پیشرفته تر استفاده کرد:

1. محدودیت نرخ

با پیاده سازی محدودیت نرخ، از API ها و نقاط پایانی حیاتی خود در برابر سوء استفاده محافظت کنید. عملیات اتمی و ساختارهای داده Redis برای این کار عالی هستند.

مثال با استفاده از یک شمارنده ساده:

            import redis
from django.http import HttpResponseForbidden
from django.shortcuts import render
import time

r = redis.Redis(host='localhost', port=6379, db=0)

def protected_api(request):
    user_id = request.user.id if request.user.is_authenticated else request.META.get('REMOTE_ADDR')
    key = f"rate_limit:{user_id}"
    limit = 100 # requests
    time_frame = 60 # seconds

    pipeline = r.pipeline()
    pipeline.incr(key)
    pipeline.expire(key, time_frame)
    count = pipeline.execute()[0]

    if count > limit:
        return HttpResponseForbidden("Rate limit exceeded. Please try again later.")

    # Proceed with API logic
    return HttpResponse("API Response")

            

              
                Copy
              
            
          

این مثال یک شمارنده را برای هر درخواست از یک کاربر (یا آدرس IP) افزایش می‌دهد و یک زمان انقضا تعیین می‌کند. اگر تعداد از حد مجاز فراتر رود، یک پاسخ ممنوعه 403 برگردانده می شود.

2. صف ها و مدیریت وظایف

Redis می تواند به عنوان یک کارگزار پیام سبک وزن برای وظایف ناهمزمان با استفاده از کتابخانه هایی مانند Celery عمل کند.

راه اندازی Celery با Redis:

Celery و یک کارگزار پشتیبان Redis را نصب کنید:

            pip install celery redis

            

              
                Copy
              
            
          

Celery را در settings.py خود (یا یک فایل celery.py جداگانه) پیکربندی کنید:

            CELERY_BROKER_URL = 'redis://localhost:6379/0'
CELERY_RESULT_BACKEND = 'redis://localhost:6379/0'

            

              
                Copy
              
            
          

این به شما امکان می دهد وظایف را تعریف کنید و آنها را به کارگران پس زمینه منتقل کنید و پاسخگویی درخواست های وب خود را بهبود بخشید.

3. ویژگی های بلادرنگ (Pub/Sub)

قابلیت های پیام رسانی Publish/Subscribe Redis را می توان برای به روز رسانی های بلادرنگ، برنامه های کاربردی چت یا اعلان های زنده استفاده کرد.

مثال Pub/Sub پایه:

            # Publisher
redis_client.publish('my_channel', 'Hello from publisher!')

# Subscriber (simplified)
# For a real application, this would run in a separate process or connection
# ps = redis_client.pubsub()
# ps.subscribe('my_channel')
# for message in ps.listen():
#     if message['type'] == 'message':
#         print(message['data'])

            

              
                Copy
              
            
          

4. تابلوی امتیازات و شمارش

مجموعه های مرتب شده Redis برای پیاده سازی تابلوی امتیازات، سیستم های امتیازدهی یا ردیابی موارد محبوب عالی هستند.

مثال:

            # Add a user score
r.zadd('leaderboard', {'user1': 100, 'user2': 250})

# Get top 10 users
top_users = r.zrevrange('leaderboard', 0, 9, withscores=True)
# Result might be: [(b'user2', 250.0), (b'user1', 100.0)]

            

              
                Copy
              
            
          

استقرار و مقیاس پذیری برای دستیابی جهانی

استقرار برنامه های کاربردی Django با Redis برای مخاطبان جهانی نیازمند برنامه ریزی دقیق است:

• Redis Cluster: برای در دسترس بودن بالا و مقیاس پذیری افقی، استفاده از Redis Cluster را در نظر بگیرید. این داده های شما را در چندین گره Redis توزیع می کند.
• توزیع جغرافیایی: بسته به توزیع کاربر شما، ممکن است نیاز به استقرار نمونه های Redis در مناطق جغرافیایی مختلف داشته باشید تا تاخیر به حداقل برسد. سرورهای برنامه Django شما سپس به نزدیکترین نمونه Redis متصل می شوند.
• سرویس های مدیریت شده Redis: ارائه دهندگان ابر مانند AWS (ElastiCache)، Google Cloud (Memorystore) و Azure (Cache for Redis) سرویس های مدیریت شده Redis را ارائه می دهند که استقرار، مقیاس بندی و نگهداری را ساده می کنند.
• نظارت: نظارت قوی را برای نمونه های Redis خود پیاده سازی کنید. استفاده از حافظه، بار CPU، ترافیک شبکه و تاخیر را ردیابی کنید تا به طور فعال مسائل احتمالی را شناسایی و برطرف کنید.
• مدیریت اتصال: اطمینان حاصل کنید که برنامه Django شما به طور موثر از ادغام اتصال استفاده می کند. کتابخانه هایی مانند django-redis این را مدیریت می کنند، اما درک نحوه کار آن برای اشکال زدایی مسائل مربوط به عملکرد مهم است.

بهترین شیوه ها و دام های رایج

برای به حداکثر رساندن مزایای Redis در پروژه های Django خود:

بهترین شیوه ها:

• کوچک شروع کنید: با کش کردن عملیات های محاسباتی گران قیمت یا داده های خوانده شده مکرر شروع کنید.
• نسبت ضربه کش را نظارت کنید: هدف از نسبت ضربه کش بالا، نشان می دهد که کش شما به طور موثر به درخواست ها خدمات می دهد.
• استراتژی پاکسازی کش: یک استراتژی روشن برای بی اعتبار کردن کش تعریف کنید.
• از ساختارهای داده مناسب استفاده کنید: از ساختارهای داده متنوع Redis برای چیزی بیشتر از ذخیره سازی ساده کلید-مقدار استفاده کنید.
• نمونه Redis خود را ایمن کنید: هرگز Redis را بدون اقدامات امنیتی مناسب مستقیماً در معرض اینترنت عمومی قرار ندهید.
• با بار تست کنید: بار واقعی کاربر را شبیه سازی کنید تا قبل از آنلاین شدن گلوگاه های عملکرد را شناسایی کنید.

دام های رایج:

• بیش از حد ذخیره سازی کش: کش کردن همه چیز می تواند منجر به منطق پیچیده بی اعتبار شدن شود و اشکالات بیشتری نسبت به آنچه حل می کند، ایجاد کند.
• کم ذخیره سازی کش: عدم کش کردن به اندازه کافی می تواند منجر به مشکلات عملکرد شود.
• نادیده گرفتن بی اعتبار کردن کش: داده های قدیمی بدتر از عدم وجود داده است.
• ذخیره اشیاء بزرگ: اشیاء بزرگ در کش یا سشن باعث افزایش ردپای حافظه و سربار شبکه می شوند.
• نقطه شکست واحد: عدم داشتن تنظیمات با در دسترس بودن بالا برای Redis در تولید.
• نادیده گرفتن تاخیر شبکه: در استقرارهای جهانی، فاصله بین سرورهای برنامه شما و Redis می تواند یک عامل مهم باشد.

نتیجه

ادغام Redis در برنامه های Django خود برای ذخیره سازی کش و سشن یک استراتژی قدرتمند برای افزایش عملکرد، مقیاس پذیری و تجربه کاربر است. با درک مفاهیم اصلی و استفاده از قابلیت‌های چارچوب کش Django و ساختارهای داده همه کاره Redis، می‌توانید برنامه‌های کاربردی وب قوی، پاسخ‌گو و در دسترس جهانی بسازید. به یاد داشته باشید که مدیریت کش و سشن مؤثر فرآیندهای مداومی هستند که نیازمند برنامه‌ریزی دقیق، پیاده‌سازی و نظارت مستمر هستند، به‌ویژه هنگام ارائه خدمات به مخاطبان بین‌المللی متنوع.

این تکنیک ها را بپذیرید تا اطمینان حاصل کنید که پروژه های Django شما می توانند خواسته های پایگاه کاربر جهانی را برآورده کنند و با هر تعامل سرعت و قابلیت اطمینان را ارائه دهند.