[JAVA] Spring Boot Redis 캐시 사용법

1. 🖥️ Redis란 무엇인가?

Redis는 Remote Dictionary Server의 약자로, 데이터를 메모리에 저장하여 빠르게 처리하는 오픈 소스 인메모리 데이터베이스입니다. Key-Value 구조로 데이터를 저장하고, 다양한 데이터 구조를 지원하는 것이 특징입니다. 일반적인 데이터베이스와 달리 데이터를 디스크가 아닌 메모리에 저장하기 때문에 읽기/쓰기 속도가 매우 빠릅니다.

Redis의 특징

1. 인메모리 데이터베이스: Redis는 모든 데이터를 메모리에 저장하고, 필요에 따라 데이터를 디스크에 백업할 수 있습니다. 이로 인해 데이터 처리 속도가 매우 빠르며, 특히 실시간 데이터 처리에 유리합니다.
2. 다양한 데이터 구조 지원: Redis는 단순한 Key-Value 저장소일 뿐만 아니라, 다양한 데이터 타입을 지원합니다. 그 예로 다음과 같은 타입이 있습니다:
   • String: 가장 기본적인 형태로, 문자열 데이터를 저장합니다.
   • List: 연결 리스트 형태로, 순서가 있는 여러 값을 저장할 수 있습니다.
   • Set: 중복되지 않는 값들의 집합을 저장할 수 있습니다.
   • Hash: 필드와 값의 쌍으로 데이터를 저장할 수 있습니다. 흔히 자바의 Map과 비슷한 구조입니다.
   • Sorted Set: 점수를 기반으로 정렬된 집합을 관리할 수 있습니다.
3. 지속성 옵션: Redis는 메모리에 저장된 데이터를 디스크에 백업할 수 있는 옵션을 제공합니다. 이를 통해 RDB 스냅샷과 AOF(Append-Only File)와 같은 방식으로 데이터를 영구적으로 저장하거나 복구할 수 있습니다.
4. 스케일링과 확장성: Redis는 클러스터링을 지원하여 여러 노드에 데이터를 분산시켜 저장하고 처리할 수 있습니다. 이를 통해 수평 확장이 가능하며, 큰 데이터를 분산 저장할 수 있습니다.
5. Pub/Sub 기능: Redis는 발행-구독(Pub/Sub) 패턴을 지원해, 메시지 브로커로도 사용할 수 있습니다. 실시간 채팅, 알림 서비스 같은 시스템에서 사용됩니다.
6. Atomic Operation: Redis는 모든 명령이 원자적(atomic)으로 실행되기 때문에, 복수의 클라이언트가 동시에 동일한 데이터에 접근해도 안전하게 처리됩니다.

Redis의 주요 용도

• 캐싱: Redis는 주로 캐시로 사용됩니다. 서버의 데이터를 Redis에 캐싱함으로써, 데이터베이스에 대한 접근을 줄이고 성능을 향상시킬 수 있습니다.
• 세션 저장소: 사용자의 세션을 Redis에 저장해 빠르게 접근하고, 여러 서버에서 공유할 수 있습니다.
• 순위 시스템: Sorted Set을 사용하여 점수 기반의 순위를 관리할 수 있습니다. 예를 들어, 게임 리더보드나 인기 콘텐츠 순위를 만들 때 유용합니다.
• 실시간 분석: 실시간 데이터를 빠르게 처리할 수 있는 특징 때문에, 로그 처리나 실시간 모니터링 시스템에서도 Redis를 많이 사용합니다.

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2. 🧠 Redis의 동작 원리

Redis는 데이터를 메모리에 저장하기 때문에, 매우 빠른 읽기 및 쓰기 성능을 제공합니다. 모든 데이터는 메모리에 상주하며, 필요에 따라 비동기적으로 디스크에 저장하여 데이터를 영구적으로 유지할 수 있습니다. Redis의 동작 원리는 다음과 같습니다:

1. Key-Value 데이터 저장: Redis는 Key-Value 방식으로 데이터를 저장하며, 이를 통해 빠르게 데이터를 찾고 처리할 수 있습니다.
2. 비동기적 데이터 영속성: Redis는 메모리에 데이터를 저장하지만, RDB(Redis Database Backup) 방식이나 AOF(Append-Only File) 방식을 사용해 데이터를 디스크에 저장하여 영구성을 제공합니다. RDB 방식은 일정 주기로 데이터를 저장하고, AOF 방식은 명령어 단위로 로그를 기록해 복구 시 이 명령을 다시 실행합니다.
3. 원자적 작업: Redis의 모든 명령은 원자적으로 처리됩니다. 즉, 동시에 여러 클라이언트가 같은 데이터에 접근하더라도 데이터 손상이 없으며, 항상 일관된 상태를 유지합니다.
4. Pub/Sub 동작 원리: Redis의 Pub/Sub 기능은 메시지를 발행자와 구독자가 직접적으로 연결해주는 방식입니다. 발행자는 특정 채널에 메시지를 보내고, 구독자는 해당 채널에 연결된 모든 메시지를 수신합니다. 실시간 알림이나 채팅 같은 시스템에 적합합니다.

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3. 📋 Spring에서 Redis 사용 방법 (Maven)

이제 Redis의 동작 원리를 이해했다면, Spring에서 Redis를 어떻게 사용하는지 살펴보겠습니다. Spring에서는 Spring Data Redis를 통해 Redis와 쉽게 연동할 수 있습니다.

📌 Maven 설정

pom.xml 파일에 아래와 같이 의존성을 추가합니다.

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>

그리고, application.yml 파일에 Redis 서버 정보를 설정합니다.

spring:
  redis:
    host: localhost
    port: 6379

이제 Spring에서 Redis를 사용할 준비가 완료되었습니다.

📋 캐시 어노테이션 사용

Spring은 Redis와의 캐시 통합을 돕기 위해 몇 가지 유용한 어노테이션을 제공합니다:

• @Cacheable: 메서드 실행 전에 캐시를 먼저 확인하고, 데이터가 없으면 메서드를 실행해 결과를 캐시에 저장합니다.

@CachePut(value = "users", key = "#user.id")
public User updateUser(User user) {
    // 메서드가 실행되고, 그 결과가 캐시에 저장됨
    return userRepository.save(user);
}

• @CachePut: 메서드를 항상 실행하고 그 결과를 캐시에 업데이트합니다.

@CachePut(value = "users", key = "#user.id")
public User updateUser(User user) {
    // 메서드가 실행되고, 그 결과가 캐시에 저장됨
    return userRepository.save(user);
}

• @CacheEvict: 캐시에서 데이터를 삭제할 때 사용됩니다.

@CacheEvict(value = "users", key = "#userId")
public void deleteUser(String userId) {
    // 캐시에서 해당 유저 데이터가 삭제됨
    userRepository.deleteById(userId);
}

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4. 🔄 직렬화와 역직렬화 방식 (Java, Jackson)

Redis는 데이터를 저장할 때 직렬화 방식으로 데이터를 변환하여 메모리에 저장합니다. Spring에서 Redis와 데이터를 주고받을 때는 Java 직렬화 또는 JSON 직렬화(Jackson)를 주로 사용합니다.

Java 직렬화

• Java 직렬화는 클래스가 Serializable 인터페이스를 구현해야 합니다.
• Java 직렬화는 데이터가 클 수 있다는 단점이 있으며, 클래스 구조가 변경되면 이전에 직렬화된 데이터를 읽을 때 문제가 발생할 수 있습니다. 이때 serialVersionUID를 설정해주면 클래스의 변경 여부를 체크해 호환성을 보장할 수 있습니다.

Jackson을 사용한 JSON 직렬화

• Jackson을 사용하면 데이터를 JSON 형식으로 직렬화해 저장할 수 있으며, 다른 시스템과의 호환성이 좋습니다.
• Jackson 직렬화에서는 serialVersionUID가 필요하지 않으며, 필드 이름과 구조를 기반으로 직렬화 및 역직렬화가 진행됩니다.

Jackson 직렬화 설정 예시:

public class RedisConfig {
    @Bean
    public RedisTemplate<String, Object> redisTemplate(RedisConnectionFactory connectionFactory) {
        RedisTemplate<String, Object> template = new RedisTemplate<>();
        template.setConnectionFactory(connectionFactory);
        template.setKeySerializer(new StringRedisSerializer());
        template.setValueSerializer(new Jackson2JsonRedisSerializer<>(Object.class));
        return template;
    }
}

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5. 🧑‍🔧 Redis 사용 시 발생할 수 있는 오류와 처리 방법

Redis를 사용하다 보면 다양한 오류가 발생할 수 있습니다. 그중 자주 발생하는 오류를 살펴보고, 그 처리 방법을 제시합니다.

1. 직렬화/역직렬화 오류 (SerializationException)

발생 상황

Redis에 데이터를 직렬화하여 저장하는 과정에서 직렬화 포맷이 잘못되면 데이터를 읽을 때 문제가 발생할 수 있습니다. 이런 경우, SerializationException과 같은 예외가 발생할 수 있습니다.

처리 방법

직렬화 오류는 Redis 캐시 관련 메서드에서 발생할 수 있으며, 이를 트라이-캐치 블록으로 감싸서 오류를 처리하고, 캐시에서 데이터를 읽지 못하면 DB에서 데이터를 불러오는 방식으로 처리할 수 있습니다.

@Cacheable(value = "users", key = "#userId")
public User getUserFromCache(String userId) {
    try {
        // Redis에서 데이터를 가져옴
        return (User) redisTemplate.opsForValue().get(userId);
    } catch (SerializationException e) {
        // 직렬화 오류 처리
        logger.error("Serialization error when getting user from cache", e);
        // 캐시에서 데이터를 읽을 수 없을 경우, DB에서 조회
        return userRepository.findById(userId).orElse(null);
    }
}

2. Connection 오류 (RedisConnectionFailureException)

발생 상황

Redis 서버와의 네트워크 문제로 인해 발생하는 오류입니다. Redis 서버가 중지되거나, 네트워크 연결이 끊어진 경우 발생할 수 있습니다.

처리 방법

Redis 연결 문제는 LettuceConnectionFactory와 같은 Redis 연결 설정에서 처리할 수 있습니다. 연결 상태를 주기적으로 확인하여 문제가 발생할 경우 다시 연결을 시도할 수 있도록 구성할 수 있습니다.

@Bean
public LettuceConnectionFactory redisConnectionFactory() {
    LettuceConnectionFactory connectionFactory = new LettuceConnectionFactory();
    connectionFactory.setValidateConnection(true);  // 연결 상태를 주기적으로 확인
    return connectionFactory;
}

3. 모델 클래스와 캐시 데이터의 불일치 (ClassCastException)

발생 상황

모델 클래스의 필드가 변경되거나 삭제된 경우, Redis에 저장된 데이터와의 불일치로 인해 ClassCastException이 발생할 수 있습니다.

처리 방법

모델 클래스에 @JsonIgnoreProperties(ignoreUnknown = true) 어노테이션을 사용하여, 알 수 없는 필드를 무시하고 역직렬화를 안전하게 수행할 수 있습니다.

@JsonIgnoreProperties(ignoreUnknown = true)
public class User implements Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 1L;

    private String id;
    private String name;
    private int age;

    // 기본 생성자, getter, setter
}

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트라이-캐치와 메서드 실행

Spring에서 Redis 캐시를 사용할 때 @Cacheable이나 @CachePut을 사용하는 경우, Redis에서 오류가 발생하더라도 메서드 자체는 계속 실행됩니다. 캐시에서 데이터를 찾지 못하면 메서드의 비즈니스 로직이 실행되고, 그 결과가 캐시에 저장됩니다. 그러나 Redis 오류는 로그에 남게 되므로, 트라이-캐치 블록을 사용해 오류 처리를 통해 안정성을 높일 수 있습니다.

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📝요약

1. Redis는 빠른 성능의 인메모리 데이터베이스로, 다양한 데이터 구조와 캐시, 세션 관리, 실시간 데이터 처리에 적합합니다.
2. Spring Data Redis를 통해 쉽게 Redis와 연동할 수 있으며, @Cacheable, @CachePut, @CacheEvict 등의 어노테이션을 사용해 캐시 관리를 할 수 있습니다.
3. Redis 오류는 직렬화/역직렬화 오류, 연결 문제, 타입 불일치 등의 문제가 있을 수 있으며, 이를 적절한 예외 처리와 어노테이션으로 관리해야 합니다.
4. 트라이-캐치 블록을 통해 Redis 오류가 발생하더라도 서비스가 정상적으로 동작하도록 처리할 수 있으며, 캐시와 비즈니스 로직이 원활하게 연결됩니다.