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@hsmto25519

Rust + PostgreSQL + Redis で試す「Cache Aside」と「Write Through」パターン実装

Posted at

はじめに

この記事では、一般的なキャッシュ戦略である「Cache Aside」と「Write Through」の2つのパターンについて、Rust を用いた実装例を紹介します。

データベースには PostgreSQL、キャッシュストアには Redis を使用します。

各パターンの理論的な詳細解説（メリット・デメリットなど）は省略し、具体的なコードと動作確認にフォーカスします。理論的な解説は「参考」に挙げている記事をご参照ください。

また、今回検証に使用したプログラムは、以下のリポジトリに格納しています。記事中では一部の関数を省略しているため、全体像を確認したい方はこちらを参照してください。

検証前のデータ状況

まず、検証を開始する前のデータベース (PostgreSQL) とキャッシュ (Redis) の状態を確認します。

Postgres

docker exec -it simple_postgres_db psql -U user app_db

app_db=# select * from users;
 id | username |          created_at           
----+----------+-------------------------------
  4 | user01   | 2025-11-02 01:43:23.038598+00
 12 | user02   | 2025-11-04 07:50:02.877286+00
 14 | user05   | 2025-11-08 01:32:08.314346+00
 18 | user06   | 2025-11-08 01:41:45.293676+00
(4 rows)

Redis

docker exec -it simple_redis_cache redis-cli

127.0.0.1:6379> KEYS *
1) "user01"
127.0.0.1:6379> GET user01
"{\"id\":4,\"username\":\"user01\",\"created_at\":\"2025-11-02T01:43:23.038598Z\"}"

redisにはuser01のみ存在している状態。

実装コード

今回使用する主要な関数です。

1. Cache Aside (read_target_user)

はじめに、Cache Aside パターンを実装した read_target_user 関数です。これは読み取り時の処理です。

処理フロー:

  1. まず Redis (キャッシュ) にデータがあるか確認します。
  2. あれば (キャッシュヒット)、そのデータを返します。
  3. なければ (キャッシュミス)、PostgreSQL (DB) にアクセスしてデータを取得します。
  4. DBから取得したデータを Redis に 書き込み (セット) します。
  5. DBから取得したデータを返します。

※ cache.get_value, cache.set_value, db.get_user は、それぞれ Redis と DB へアクセスするヘルパー関数（リポジトリ参照）を呼び出しています。

/// implement 'cache aside pattern'
async fn read_target_user(
    db: &PostgresRepo,
    cache: &RedisCache,
    username: &str,
) -> Result<String, Error> {
    
    // 1. Retrieve the target value from the cache if it exists.
    let cache_result = match cache.get_value(username).await {
        Ok(retrieved_value) => {
            println!("\ncache hit!!!");
            Some(retrieved_value)
        },
        Err(_) => {
            println!("\ncan't get the data from the cache store.");
            None
        }
    };

    // 2. return the value if the value exists.
    if let Some(value) = cache_result {
        return Ok(value);
    } 

    // 3. Access the database
    println!("\naccess the database...");
    let db_result = match db.get_user(username).await {
        Ok(data) => data,
        Err(e) => {
            // there is no user.
            return Err(e);
        }
    };

    // 4. Update the cache store.
    println!("\nset the value in the cache store.");
    cache.set_value(&username, &db_result.to_json().unwrap()).await?;

    // 5. Return the value from the database.
    Ok(db_result.to_json()?)
}

2. Write Through (write_target_user)

次に、Write Through パターンを実装した write_target_user 関数です。これは書き込み/更新時の処理です。

処理フロー:

  1. まず PostgreSQL (DB) にデータを書き込み (または取得/作成) します。
  2. 成功したら、Redis (キャッシュ) にも同じデータを書き込みます。
  3. データを返します。

※ db.get_or_create_user, cache.set_value は、それぞれ DB と Redis へアクセスするヘルパー関数です。

/// implement 'write through pattern'
async fn write_target_user(
    db: &PostgresRepo,
    cache: &RedisCache,
    username: &str,
) -> Result<String, Error> {

    // 1. update the database.
    println!("\naccess the database...");
    let user = db.get_or_create_user(username).await?;
    let user_json = user.to_json().unwrap();

    // 2. set the value in the cache store.
    println!("\nset the data in the cache store...");
    cache.set_value(username, &user_json).await?;
    
    Ok(user_json)
}

3. main 関数

最後に、これら2つの関数を呼び出す main 関数です。
println! が多くてやや見づらいですが、やっていることはシンプルです。

  1. 標準入力から username を受け取ります。
  2. read_target_user() (Cache Aside) を実行し、結果を表示します。
  3. write_target_user() (Write Through) を実行し、結果を表示します。
#[tokio::main]
async fn main() -> Result<()> {
    dotenv().ok();
    println!("The env variables are read.");

    let db_url = env::var("DATABASE_URL").context("DATABASE_URL must be set")?;
    let redis_url = env::var("REDIS_URL").context("REDIS_URL must be set")?;

    println!("input username:");
    let mut input_value = String::new();
    std::io::stdin().read_line(&mut input_value).expect("Failed to read line");

    // shadowing 'input_value to remove '\n' in the end of the variable
    let input_value = input_value.trim();

    let db_repo = PostgresRepo::connect(&db_url).await?;
    let cache = RedisCache::connect(&redis_url).await?;

    println!("---Start functions!!---");
    
    println!("read_target_user() started.");
    let target_user = match read_target_user(&db_repo, &cache, &input_value).await {
        Ok(result) => result,
        Err(e) => {
            eprintln!("\nERROR: failed to read the user.");
            eprintln!("Details: {:?}", e);
            "nodata".to_string()
        }
    };
    println!("read_target_user() executed successfully.");
    println!("the user is {}", target_user);
    println!("----------------------------------");

    println!("write_target_user() started");
    let target_user = match write_target_user(&db_repo, &cache, &input_value).await {
        Ok(result) => result,
        Err(e) => {
            eprintln!("\nERROR: failed to write the user.");
            eprintln!("Details: {:?}", e);
            return Err(e);
        }
    };
    println!("write_target_user() executed successfully.");
    println!("the user is {}", target_user);
    println!("----------------------------------");

    Ok(())
}

動作確認

それでは、プログラムを実行して動作を確認します。

case 1: キャッシュヒットするユーザー (user01)

user01 は、検証前の時点で DB にも Redis にも 存在するユーザーです。

(.venv) root@IT-PC-2403-1122:/home/me/work/rust/cache-demo/db-app# cargo run
   Compiling db-app v0.1.0 (/home/me/work/rust/cache-demo/db-app)
    Finished `dev` profile [unoptimized + debuginfo] target(s) in 2.50s
     Running `target/debug/db-app`
The env variables are read.
input username:
user01
---Start functions!!---
read_target_user() started.

cache hit!!!
read_target_user() executed successfully.
the user is {"id":4,"username":"user01","created_at":"2025-11-02T01:43:23.038598Z"}
----------------------------------
write_target_user() started

access the database...
[PostgreSQL] User 'user01' already exists. Skipping insertion.

set the data in the cache store...
write_target_user() executed successfully.
the user is {"id":4,"username":"user01","created_at":"2025-11-02T01:43:23.038598Z"}
----------------------------------

実行結果のポイント:

  • read_target_user: cache hit!!! が出力され、DB にアクセスせず Redis から データを取得しています。
  • write_target_user: DB にアクセスし (access the database...)、already exists が表示された後、キャッシュにもデータをセット (set the data in the cache store...) しています。

case 2: キャッシュミスするユーザー (user02)

次に、DB には存在するが Redis には存在しない user02 を入力します。

(.venv) root@IT-PC-2403-1122:/home/me/work/rust/cache-demo/db-app# cargo run
   Compiling db-app v0.1.0 (/home/me/work/rust/cache-demo/db-app)
    Finished `dev` profile [unoptimized + debuginfo] target(s) in 2.59s
     Running `target/debug/db-app`
The env variables are read.
input username:
user02
---Start functions!!---
read_target_user() started.

can't get the data from the cache store.

access the database...

set the value in the cache store.
read_target_user() executed successfully.
the user is {"id":12,"username":"user02","created_at":"2025-11-04T07:50:02.877286Z"}
----------------------------------
write_target_user() started

access the database...
[PostgreSQL] User 'user02' already exists. Skipping insertion.

set the data in the cache store...
write_target_user() executed successfully.
the user is {"id":12,"username":"user02","created_at":"2025-11-04T07:50:02.877286Z"}
----------------------------------

実行結果のポイント:

  • read_target_user:
    1. can't get the data from the cache store. が出力されます (キャッシュミス)。
    2. その後 access the database... で DB からデータを取得 します。
    3. set the value in the cache store. で Redis にデータを書き込んで います。

↑これが Cache Aside の典型的な読み取り動作です。

  • write_target_user: user01 の場合と同様に、DB とキャッシュの両方に書き込み（Write Through）を行っています。（検証の関係でread_target_userと一緒に呼び出してしまっているので、違いが出てませんね。。）

もちろんredisに値が格納されています。

127.0.0.1:6379> KEYS *
1) "user02"
2) "user01"
127.0.0.1:6379> GET user02
"{\"id\":12,\"username\":\"user02\",\"created_at\":\"2025-11-04T07:50:02.877286Z\"}"

最後に

Rust を使って、Cache Aside と Write Through パターンの簡単な動作確認用プログラムを作成しました。

今回は単純な Read/Write の実装でした。あとは要件に合わせて、この実装を作り替えるだけですね（それが大変）。

この記事が、キャッシュ戦略を検討する際の一助となれば幸いです。

参考

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