الـ Cache invalidation والـ Stampede: لما الـ key الشهير يموت

جارٍ التحميل…

01 / ملخص الدرس

الـ Cache invalidation والـ Stampede: لما الـ key الشهير يموت

الـ cache stampede: key مشهور بيموت، ومئات requests بتعمل miss وبتضرب الـ database مع بعض. الحلول: single-flight جُوّه الـ instance، و lock في Redis بـ SET NX PX بين كل الـ instances، و stale-while-revalidate (قدّم القديم وجدّد في الخلفية). والـ invalidation بالمجموعة بـ versioned keys بدل KEYS و DEL.

02 / شرح الدرس مكتوبًا

نص شرح المعلم والكود الذي كتبه ونتيجة تشغيله، بنفس ترتيب الدرس.

أهلًا بيك. الـ cache-aside اللي عملناه فيه مشكلة خفية بتبان بس تحت الضغط. صفحة الرئيسية فيها أشهر الكورسات، متخزّنة بـ TTL دقيقة، وبتتطلب ألف مرة في التانية. أول ما الـ key يموت، كل الـ requests اللي وصلت في المِيتين millisecond اللي الـ database بتحسب فيهم، كلهم هيلاقوا miss، وكلهم هيسألوا الـ database. lib dot js فيه db بطيئة، وبتعدّ هي اتسألت كام مرة. ومِيّة request مع بعض على key فاضي. نشغّل.

main.js
import { redis, db } from "./lib.js";

await redis.flushall();

async function getTop() {
  const hit = await redis.get("top");
  if (hit) return JSON.parse(hit);
  const value = await db.topCourses();
  await redis.set("top", JSON.stringify(value), "EX", 60);
  return value;
}

// الـ key مات، و100 request وصلوا في نفس الوقت
await Promise.all(Array.from({ length: 100 }, getTop));
console.log("db calls:", db.calls);
redis.disconnect();

المخرجات

$ node main.js
db calls: 100

مِيّة database call! في الحقيقة دي ممكن تبقى آلاف queries تقيلة في نفس التانية، والـ database تقع، والـ requests تفشل، فالـ cache ما يتملاش، وكل حاجة تفضل واقعة. ده اسمه cache stampede، أو thundering herd. أول حل: single-flight. جُوّه الـ instance: Map فيها الـ promises اللي شغالة. لو حد عايز نفس الـ key وفيه حد بيجيبه دلوقتي، يستنى نفس الـ promise بدل ما يعمل واحدة جديدة. وبعدين نجرّب خمس instances، زي خمس servers ورا load balancer. نشغّل.

main.js
import { redis, db } from "./lib.js";

await redis.flushall();

// single-flight: لو فيه request بيجيب نفس الـ key، استنى نتيجته بدل ما تعمل واحد تاني
function makeInstance() {
  const inflight = new Map();
  return async function getTop() {
    const hit = await redis.get("top");
    if (hit) return JSON.parse(hit);
    if (!inflight.has("top")) {
      inflight.set(
        "top",
        db.topCourses().then(async (v) => {
          await redis.set("top", JSON.stringify(v), "EX", 60);
          inflight.delete("top");
          return v;
        }),
      );
    }
    return inflight.get("top");
  };
}

const one = makeInstance();
await Promise.all(Array.from({ length: 100 }, one));
console.log("instance واحد، db calls:", db.calls);

// بس في الإنتاج عندك instances كتير، وكل واحد عنده Map لوحده
db.calls = 0;
await redis.del("top");
const instances = Array.from({ length: 5 }, makeInstance);
await Promise.all(instances.flatMap((get) => Array.from({ length: 20 }, get)));
console.log("5 instances، db calls:", db.calls);
redis.disconnect();

المخرجات

$ node main.js
instance واحد، db calls: 1
5 instances، db calls: 5

instance واحد: database call واحدة للمِيّة request. خمس instances: خمسة، لأن كل واحد عنده Map لوحده. أحسن كتير، بس مع خمسين instance هتبقى خمسين. علشان نوصل لواحدة بس، لازم التنسيق يحصل في مكان مشترك: Redis نفسه، بـ lock، وده التحدي. حل تاني، والأحسن للـ user experience: stale-while-revalidate. جُوّه القيمة بنحط freshUntil: لحد إمتى هي جديدة. والـ key نفسه بيعيش أطول بكتير. لو جديدة: رجّعها. لو قديمة: رجّعها برضه فورًا، و request واحد بس ياخد lock ويجدّد في الخلفية. ولو مش موجودة خالص: miss عادي. وهنضرب خمسين request بعد ما الـ fresh يخلص. نشغّل.

main.js
import { redis, db, sleep } from "./lib.js";

await redis.flushall();

// stale-while-revalidate: القيمة فيها «فرشة لحد إمتى»، والـ key نفسه عايش أطول
async function getTop() {
  const raw = await redis.get("top");
  if (raw) {
    const { value, freshUntil } = JSON.parse(raw);
    if (Date.now() > freshUntil) {
      const lock = await redis.set("top:refresh", "1", "NX", "PX", 5000);
      if (lock) refresh(); // في الخلفية، من غير await
      return { value, state: "stale" };
    }
    return { value, state: "fresh" };
  }
  return { value: await refresh(), state: "miss" };
}
async function refresh() {
  const value = await db.topCourses();
  await redis.set("top", JSON.stringify({ value, freshUntil: Date.now() + 300 }), "EX", 60);
  await redis.del("top:refresh");
  return value;
}

console.log((await getTop()).state);
console.log((await getTop()).state);
await sleep(350); // الـ fresh خلص
const burst = await Promise.all(Array.from({ length: 50 }, getTop));
console.log("burst:", [...new Set(burst.map((b) => b.state))], "| db calls:", db.calls);
await sleep(250);
console.log((await getTop()).state, "| db calls:", db.calls);
redis.disconnect();

المخرجات

$ node main.js
miss
fresh
burst: [ 'stale' ] | db calls: 2
fresh | db calls: 2

miss، وبعدين fresh. الخمسين بعد ما خلص: كلهم stale، يعني اترد عليهم فورًا من غير ما يستنوا، و db calls بقت اتنين بس: الأولانية بتاعة الـ miss، وواحدة refresh في الخلفية. وبعدها: fresh. ده اللي CDNs زي Cloudflare بتعمله بـ header اسمه stale-while-revalidate، والمستخدم عمره ما بيستنى.

والـ invalidation بالمجموعة. عدّلت كورس، ولازم تمسح: الـ list، وأشهر الكورسات، وصفحة كل category. الحل الغلط: KEYS courses star و DEL. الأمر KEYS بيلف على كل الـ keys في Redis، وفي الإنتاج فيه ملايين، فبيوقّف Redis لتواني، وكل الـ app بيقف. الحل الصح: versioned keys. كل الـ keys بتبدأ برقم نسخة، و invalidate هو INCR للرقم، فكل الـ keys القديمة بقت مش مستخدمة، وهتموت بالـ TTL لوحدها. التحدي: cache ما يتدافعش، وبيتمسح بالمجموعة. getCached بـ lock في Redis: اللي ياخد الـ lock يجيب البيانات، والباقيين يستنوا ويقروا. والـ lock ليه عمر، علشان لو الـ instance مات. و invalidate بالـ version. والمطلوب: database call واحدة لمِيّة request. التفاصيل في الكومنت.

تمرين

getCached(key, ttl, loader): SET key:lock NX PX 2000 ← اللي ياخده يجيب، الباقي يستنى 25ms ويقرا (40 مرة) وإلا loader. invalidate = INCR courses:version.

الحل. courseKey بيحط الـ version في الاسم. getCached: hit رجّع، وإلا جرّب الـ lock، ولو خدته: loader و SET و DEL للـ lock. ولو لا: loop تستنى وتقرا، وفي الآخر fallback. invalidate: INCR. نشغّل.

main.js
import { redis, db, sleep } from "./lib.js";

await redis.flushall();


async function courseKey(name) {
  const v = (await redis.get("courses:version")) ?? "0";
  return `courses:v${v}:${name}`;
}

async function getCached(key, ttl, loader) {
  const hit = await redis.get(key);
  if (hit) return JSON.parse(hit);
  if (await redis.set(`${key}:lock`, "1", "NX", "PX", 2000)) {
    const value = await loader();
    await redis.set(key, JSON.stringify(value), "EX", ttl);
    await redis.del(`${key}:lock`);
    return value;
  }
  for (let i = 0; i < 40; i++) {
    await sleep(25);
    const v = await redis.get(key);
    if (v) return JSON.parse(v);
  }
  return loader();
}

const invalidateCourses = () => redis.incr("courses:version");

const request = async () => getCached(await courseKey("top"), 60, () => db.topCourses());
await Promise.all(Array.from({ length: 100 }, request));
console.log("burst 1، db calls:", db.calls);
await invalidateCourses();
await Promise.all(Array.from({ length: 20 }, request));
console.log("بعد invalidate، db calls:", db.calls);
// SCAN بدل KEYS: بيلف على دفعات من غير ما يوقّف Redis
const [, keys] = await redis.scan("0", "MATCH", "courses:*", "COUNT", "100");
console.log(keys.sort());
redis.disconnect();

المخرجات

$ node main.js
burst 1، db calls: 1
بعد invalidate، db calls: 2
[ 'courses:v0:top', 'courses:v1:top', 'courses:version' ]

مِيّة request: database call واحدة. بعد الـ invalidate: واحدة كمان. والـ keys: v zero و v one، والقديم هيموت لوحده بالـ TTL. الدرس الجاي: Lua في Redis، وإزاي تعمل كام أمر كأنهم أمر واحد atomic.

03 / دروس المسار (122)
  1. 01أهلًا بيك: يعني إيه backend، والكورس ده ماشي إزاي
  2. 02الملفات والفولدرات والـ terminal: تتحرك على جهازك زي المبرمجين
  3. 03Node وأول برنامج: تشغّل وتقرا رسالة الخطأ
  4. 04القيم والمتغيرات والأنواع: const و let و typeof
  5. 05القرارات والتكرار: if و === والـ truthy والـ loops
  6. 06الـ functions: parameters و return والـ arrow functions والـ scope
  7. 07الـ objects والـ arrays: destructuring و spread و map و filter و reduce
  8. 08JSON والنصوص والتواريخ: اللغة اللي الـ backend بيتكلم بيها
  9. 09الـ callbacks والـ closures وأول لمسة async: setTimeout
  10. 10الـ classes والـ errors: throw و try/catch و stack trace
  11. 11git: تحفَظ كل خطوة وترجعلها، وما تسرّبش أسرارك
  12. 12ESM و CommonJS و package exports: Node بيلاقي الـ modules إزاي
  13. 13الـ Promises و async/await: sequential و parallel والأخطاء والإلغاء
  14. 14الـ event loop والـ microtasks: Node بيعمل كل حاجة بـ thread واحد إزاي
  15. 15الـ Streams والـ Backpressure: ملفات أكبر من الـ memory
  16. 16الـ File System والـ paths: قراية وكتابة صح، ومن غير path traversal
  17. 17الـ Buffers والبيانات الـ binary: الـ bytes من جُوّه
  18. 18Crypto APIs والأسرار: random و hash و HMAC و AES-GCM
  19. 19الـ Worker Threads: شغل CPU تقيل من غير ما توقف الـ server
  20. 20الـ Errors على مستوى الـ process: operational و programmer و crash-only
  21. 21الـ Node test runner والـ debugging: tests من غير مكتبات
  22. 22HTTP من جُوّه: الـ methods والـ status codes والـ headers
  23. 23Express والـ Routing: الـ params والـ query والترتيب والـ Router
  24. 24Express 5: إيه اللي اتغيّر، وإزاي تنقل مشروع قديم
  25. 25الـ Middleware ودورة حياة الـ request جُوّه Express
  26. 26Validation للمدخلات بـ Zod: ما تصدّقش أي حاجة جاية من برة
  27. 27تصنيف الأخطاء و Problem Details: شكل واحد لكل الـ errors
  28. 28الـ CORS والـ Cookies: المتصفح بيحمي المستخدم إزاي
  29. 29رفع الملفات وحدود الحجم: multer من غير ثغرات
  30. 30الـ Realtime: Server-Sent Events و WebSockets
  31. 31OpenAPI والـ API Versioning: عقد مكتوب، وتغيير من غير ما تكسر حد
  32. 32PostgreSQL: الـ DDL وأنواع البيانات الصح لكل عمود
  33. 33الـ Constraints: PK و FK و UNIQUE و CHECK — الـ database بتحمي نفسها
  34. 34الـ Normalization والـ ERD: تقسّم البيانات صح من أول يوم
  35. 35الـ JOINs والتجميع: INNER و LEFT و GROUP BY و HAVING و window functions
  36. 36JSONB في PostgreSQL: إمتى تستخدمه، وإزاي تسأله وتعمله index
  37. 37الـ Indexes من جُوّه: B-tree و GIN و BRIN
  38. 38Partial و Covering indexes: indexes أصغر وأسرع
  39. 39الـ Pagination بالـ Keyset: ليه OFFSET بيبطّأ وبيكرر
  40. 40Full Text Search في Postgres: بحث بالكلمات، بالعربي والإنجليزي
  41. 41EXPLAIN ANALYZE والـ Planner: اقرا الـ plan وصلّح الـ query
  42. 42الـ Transactions بـ node-postgres: كله أو ولا حاجة
  43. 43الـ MVCC ومستويات الـ Isolation: transactions كتير في نفس الوقت
  44. 44الـ Locks والـ Deadlocks: مين مستني مين
  45. 45SKIP LOCKED و Job Leasing: Postgres كـ job queue
  46. 46Row Level Security والـ Multi-tenancy: كل عميل يشوف بياناته بس
  47. 47Migrations من غير downtime: expand و backfill و contract
  48. 48الـ Replication والـ Read Replicas: نسخ حية من الـ database
  49. 49الـ Connection Pooling و PgBouncer: connections أقل، requests أكتر
  50. 50الـ Partitioning والـ VACUUM والمراقبة: Postgres على المدى الطويل
  51. 51Redis وأنواع البيانات: strings و hashes و lists و sets و sorted sets
  52. 52Cache-aside والـ TTL: Redis قدام الـ database
  53. 53الـ Cache invalidation والـ Stampede: لما الـ key الشهير يموتانت هنا
  54. 54Lua والـ Atomicity في Redis: كام أمر كأنهم أمر واحد
  55. 55الـ Rate Limiting في Redis: fixed window و sliding window و token bucket
  56. 56الـ Sessions في Redis: تسجيل دخول تقدر تلغيه في أي وقت
  57. 57Redis Streams والـ Consumer Groups: log بيتوزع على workers
  58. 58Pub/Sub و BullMQ: إشارات بين الـ instances، وطوابير شغل محترمة
  59. 59Redis لما يقع: الـ persistence (RDB و AOF) والـ replication
  60. 60Redis في الإنتاج: الـ ACLs والـ Cluster والمراقبة
  61. 61تخزين الـ Passwords بـ Argon2id: صح من أول مرة
  62. 62Session Fixation والـ Rotation: id جديد مع كل صلاحية جديدة
  63. 63الـ Cookie Flags والـ CSRF: المتصفح بيبعت الـ cookie، فلازم تتأكد مين اللي طلب
  64. 64الـ XSS والـ Content Security Policy: ما تخليش النص يتحوّل لـ code
  65. 65الـ OAuth و OpenID Connect و PKCE: login بـ Google من غير ما تشوف الـ password
  66. 66التأكد من الـ JWT صح: التوقيع والـ claims والـ scopes
  67. 67الـ BOLA و BFLA: الـ token السليم مش معناه إن الطلب مسموح
  68. 68الـ RBAC و ABAC والملكية: policy واحدة بدل ifs متفرقة
  69. 69الـ MFA والـ recovery: التاني factor اللي بجد
  70. 70الـ Passkeys و WebAuthn: login من غير password وضد الـ phishing
  71. 71الـ Threat Modeling بـ STRIDE: فكّر زي المهاجم قبل ما تكتب code
  72. 72الـ SQL Injection والـ Parameterization: الـ data ما تبقاش code
  73. 73الـ SSRF والـ Egress: ما تخليش الـ server بتاعك يزور الشبكة الداخلية
  74. 74الـ Security Headers والـ TLS: كل response يقول للـ browser يحمي المستخدم إزاي
  75. 75توقيع الـ Webhooks والـ Replay: الـ webhook ده جاي فعلًا من Stripe؟
  76. 76تغيير الأسرار والـ HMAC: إزاي تغيّر مفتاح من غير ما كل حاجة تقع
  77. 77سلسلة التوريد والـ SBOM: إنت واثق في ألف package ما تعرفهمش؟
  78. 78الـ Audit والـ Privacy Logs: سجّل مين عمل إيه، من غير ما تسجّل الأسرار
  79. 79اختبار الأمان و OWASP ASVS: الأمن جُوّه الـ CI، مش audit آخر السنة
  80. 80الـ Prototype Pollution والـ Resource DoS: request واحد يخلّي الكل admin أو يوقّع الـ server
  81. 81الـ SLI والـ SLO والـ Error Budget: إمتى تصحّي الـ on-call وإمتى تسيبه نايم
  82. 82الـ Event Loop Delay والـ ELU: لما Node نفسه يتخنق
  83. 83الـ Worker Threads والـ CPU Profiling: الشغل التقيل بره الـ event loop، والوقت راح فين
  84. 84الـ Memory والـ GC والـ Leaks: الـ process اللي بيكبر لحد ما يقع
  85. 85الـ N+1 Queries والـ DataLoader: صفحة واحدة بمِيّتين query
  86. 86الـ HTTP Caching والـ Compression: أسرع request هو اللي ما بيوصلش
  87. 87الـ Load Testing والـ Soak Testing: الـ server بيستحمل قد إيه بجد
  88. 88الـ Concurrency Limits والـ Bulkheads: dependency بطيئة ما توقعش الـ app كله
  89. 89الـ Timeouts والـ Retries والـ Circuit Breakers: إزاي تتعامل مع dependency بطيئة أو واقعة
  90. 90OpenTelemetry والـ Distributed Tracing: الـ request راح فين وضاع وقته فين
  91. 91Docker Layers والـ Build Context: ليه الـ build بياخد دقيقة وفيه الـ .env بتاعك
  92. 92Multi-stage Builds و Non-root: image صغيرة ومن غير root
  93. 93Docker Compose والـ Networks: الـ services بتلاقي بعض إزاي
  94. 94Docker Volumes: الـ data بتتحفَظ فين
  95. 95Healthcheck و Restart و Resource Limits: running مش معناها شغّال
  96. 96BuildKit والـ Build Secrets: الـ token ما يدخلش الـ image
  97. 97Reverse Proxy و TLS: اللي واقف قدام الـ app
  98. 98Multi-arch Images والـ Native Modules: اشتغلت عندي
  99. 99CI/CD و Rollback و Canary: الـ deploy يبقى ممل
  100. 100Kubernetes من الأول: Pods و Deployments و Services و Probes
  101. 101Modular Monolith و DDD: حدود واضحة من غير network
  102. 102Transactional Outbox و Inbox: الـ event ما يضيعش وما يتنفذش مرتين
  103. 103Sagas: عملية واحدة على تلات services من غير transaction واحدة
  104. 104CQRS و Event Sourcing: الـ events هي الحقيقة
  105. 105الـ Queues والـ Brokers: BullMQ و RabbitMQ و Kafka و SQS
  106. 106Realtime على أكتر من instance: Redis pub/sub و presence و resume
  107. 107الـ Object Storage والـ Media: presigned URLs و uploads مباشرة
  108. 108التكامل مع الـ Email والـ Search: retries و webhooks و indexes
  109. 109GraphQL و gRPC في الإنتاج: contracts و DataLoader و limits و deadlines
  110. 110Kafka على أكتر من zone و region: الـ replication والـ ISR والـ acks والـ MirrorMaker والـ failover
  111. 111TypeScript و runtime boundaries: الـ types بتختفي، والـ schemas لأ
  112. 112ORM ولا SQL: query builders و repositories و migrations و transactions
  113. 113الـ Serverless من جُوّه: cold starts و freeze و timeouts و connections
  114. 114الـ Testing Pyramid: unit و integration و e2e على Postgres حقيقية
  115. 115Contract Testing و Property-Based Testing بـ fast-check
  116. 116الـ Payments: idempotency و webhooks و refunds و reconciliation
  117. 117الـ Timezones والـ Internationalization: UTC و DST والـ locales والـ plurals والفلوس
  118. 118الـ Privacy والـ Data Retention: consent و export و erasure و crypto shredding
  119. 119الـ ADRs والـ Feature Flags: القرارات المكتوبة والـ rollout من غير deploy
  120. 120Multi-region active-active: حل الـ conflicts بـ HLC و CRDTs
  121. 121Readiness و Liveness و Startup Probes: الـ pod جاهز ولا عايش؟
  122. 122Incident Runbooks: من الـ alert للـ postmortem