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# 第四章 架构设计 - 缓存架构
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## 4.1 缓存架构概述
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项目使用 Redis 作为缓存后端，通过 Django 的缓存框架实现统一的缓存管理。缓存主要用于以下场景：
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+------------------+
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| Django App |
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+------------------+
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v
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+------------------+
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| Django Cache | <-- Django缓存框架
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| Framework |
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+------------------+
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v
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+------------------+
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| django-redis | <-- Redis缓存后端
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+------------------+
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v
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+------------------+
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| Redis | <-- Redis服务器
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+------------------+
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```
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## 4.2 Redis 配置
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### 缓存后端配置
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在 `application/settings.py` 中配置 Redis 缓存：
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```python
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CACHES = {
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"default": {
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"BACKEND": "django_redis.cache.RedisCache",
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"LOCATION": f"redis://{env.REDIS_HOST}:{env.REDIS_PORT}/{env.REDIS_DB}",
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"OPTIONS": {
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"CLIENT_CLASS": "django_redis.client.DefaultClient",
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"PASSWORD": env.REDIS_PASSWORD if env.REDIS_PASSWORD else None,
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"SOCKET_CONNECT_TIMEOUT": 5, # 连接超时（秒）
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"SOCKET_TIMEOUT": 5, # 读写超时（秒）
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"CONNECTION_POOL_KWARGS": {"max_connections": 100}, # 连接池大小
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"IGNORE_EXCEPTIONS": True, # Redis不可用时不抛异常，降级处理
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},
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"KEY_PREFIX": "djangoadmin", # Key前缀，避免多项目共用Redis时冲突
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}
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}
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```
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### Redis 连接参数
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在 `config/env.py` 中定义 Redis 连接参数：
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```python
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REDIS_HOST = os.getenv('REDIS_HOST', '127.0.0.1')
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REDIS_PORT = int(os.getenv('REDIS_PORT', 6379))
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REDIS_PASSWORD = os.getenv('REDIS_PASSWORD', '123456')
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REDIS_DB = int(os.getenv('REDIS_DB', 0))
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```
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| 参数 | 默认值 | 说明 |
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|------|--------|------|
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| `REDIS_HOST` | `127.0.0.1` | Redis服务器地址 |
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| `REDIS_PORT` | `6379` | Redis端口 |
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| `REDIS_PASSWORD` | `123456` | Redis密码 |
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| `REDIS_DB` | `0` | Redis数据库索引（0-15） |
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## 4.3 缓存应用场景
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### 4.3.1 Token 黑名单
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退出登录时将 Token 加入黑名单，使 Token 立即失效。
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**实现代码**（`utils/jwt.py`）：
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```python
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_TOKEN_BLACKLIST_PREFIX = 'token:blacklist:'
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def _token_fingerprint(token: str) -> str:
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"""生成Token指纹（SHA256摘要）"""
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return hashlib.sha256(token.encode('utf-8')).hexdigest()
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def add_token_to_blacklist(token: str) -> bool:
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||||
"""将Token加入黑名单"""
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from django_redis import get_redis_connection
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redis = get_redis_connection("default")
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||||
# 获取Token剩余有效期
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expiration = get_token_expiration(token)
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if expiration is None:
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ttl_seconds = DEFAULT_TIMEOUT_MINUTES * 60
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else:
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ttl_seconds = int(
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(expiration - datetime.datetime.now(tz=datetime.timezone.utc)).total_seconds()
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)
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if ttl_seconds <= 0:
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return True # Token已自然过期，无需加入黑名单
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# 使用SHA256指纹作为Key，避免存储完整Token
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fingerprint = _token_fingerprint(token)
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key = f'{_TOKEN_BLACKLIST_PREFIX}{fingerprint}'
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redis.set(key, '1', ex=ttl_seconds)
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return True
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def is_token_blacklisted(token: str) -> bool:
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"""检查Token是否在黑名单中"""
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||||
from django_redis import get_redis_connection
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||||
redis = get_redis_connection("default")
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||||
fingerprint = _token_fingerprint(token)
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||||
key = f'{_TOKEN_BLACKLIST_PREFIX}{fingerprint}'
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||||
return redis.exists(key) > 0
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```
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**Key格式**：`djangoadmin:token:blacklist:<sha256_fingerprint>`
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**TTL策略**：与 Token 剩余有效期一致，Token 自然过期后黑名单条目自动清除。
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**降级策略**：Redis 不可用时采用 fail-open 策略放行请求，避免全部请求被拒。
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### 4.3.2 IP 地理位置缓存
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缓存 IP 地理位置查询结果，避免重复查询外部 API 或本地数据库。
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**配置项**（`config/env.py`）：
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```python
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# IP地理位置信息来源：'local' - 本地数据库, 'api' - 在线API
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IP_LOCATION_SOURCE = os.environ.get('IP_LOCATION_SOURCE', 'api')
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# 是否启用IP地理位置缓存
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IP_CACHE_ENABLED = os.environ.get('IP_CACHE_ENABLED', 'True') == 'True'
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# IP缓存时间（秒），默认1天
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IP_CACHE_TIMEOUT = int(os.environ.get('IP_CACHE_TIMEOUT', 86400))
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```
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| 配置项 | 默认值 | 说明 |
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|--------|--------|------|
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| `IP_LOCATION_SOURCE` | `api` | IP查询来源：本地数据库或在线API |
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| `IP_CACHE_ENABLED` | `True` | 是否启用缓存 |
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| `IP_CACHE_TIMEOUT` | `86400` | 缓存过期时间（秒），默认1天 |
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### 4.3.3 验证码存储
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图形验证码通过 Redis 存储，支持自动过期。
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**配置项**（`application/settings.py`）：
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```python
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CAPTCHA_IMAGE_SIZE = (200, 60) # 验证码图片尺寸
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CAPTCHA_LENGTH = 6 # 验证码字符个数
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CAPTCHA_TIMEOUT = 1 # 验证码超时时间（分钟）
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CAPTCHA_FONT_SIZE = 40 # 验证码字体大小
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CAPTCHA_FOREGROUND_COLOR = "#1d953f" # 验证码前景色
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CAPTCHA_BACKGROUND_COLOR = "#ffffff" # 验证码背景色
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```
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## 4.4 缓存 Key 命名规范
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所有缓存 Key 统一使用 `djangoadmin:` 前缀（通过 `KEY_PREFIX` 配置），避免多项目共用 Redis 时冲突。
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| 场景 | Key格式 | TTL | 说明 |
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|------|---------|-----|------|
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| Token黑名单 | `djangoadmin:token:blacklist:<fingerprint>` | Token剩余有效期 | SHA256指纹 |
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| IP位置缓存 | `djangoadmin:ip:location:<ip>` | 86400秒 | IP查询结果 |
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| 验证码 | `djangoadmin:captcha:<key>` | 60秒 | 图形验证码 |
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## 4.5 缓存降级策略
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### Redis 不可用时的处理
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系统配置了 `IGNORE_EXCEPTIONS: True`，当 Redis 不可用时：
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1. **Token黑名单检查**：采用 fail-open 策略，放行请求（已注销的Token可能被误放行）
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2. **IP位置缓存**：跳过缓存，直接查询数据源
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3. **验证码**：降级为内存存储或其他方案
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```python
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# Token黑名单检查的降级处理
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def is_token_blacklisted(token: str) -> bool:
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try:
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from django_redis import get_redis_connection
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||||
redis = get_redis_connection("default")
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fingerprint = _token_fingerprint(token)
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key = f'{_TOKEN_BLACKLIST_PREFIX}{fingerprint}'
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return redis.exists(key) > 0
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except Exception as e:
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# fail-open: Redis不可用时放行
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_log_blacklist_check_alert(e)
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return False
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```
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### 告警节流
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Redis 故障期间，采用节流告警避免日志刷屏：
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```python
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_BLACKLIST_ALERT_INTERVAL = 60.0 # 告警间隔（秒）
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_blacklist_check_last_alert = 0.0
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def _log_blacklist_check_alert(error: Exception) -> None:
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"""节流记录黑名单检查失败告警"""
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global _blacklist_check_last_alert
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now = time.monotonic()
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if now - _blacklist_check_last_alert >= _BLACKLIST_ALERT_INTERVAL:
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_blacklist_check_last_alert = now
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logger.error("Token黑名单检查异常，已按 fail-open 放行: %s", error)
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else:
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logger.debug("Token黑名单检查异常（节流中，跳过 ERROR）: %s", error)
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```
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## 4.6 缓存最佳实践
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### Key 设计原则
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1. **使用前缀**：所有 Key 使用统一前缀，便于管理和清理
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2. **避免冲突**：不同业务使用不同的 Key 格式
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3. **合理TTL**：根据业务场景设置合适的过期时间
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4. **使用指纹**：敏感数据（如Token）使用摘要值作为Key
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### 性能优化
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1. **连接池**：配置 `max_connections: 100`，复用连接
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2. **超时控制**：连接和读写超时各5秒，避免长时间阻塞
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3. **批量操作**：尽量使用 `pipeline` 减少网络往返
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4. **降级处理**：Redis 不可用时不影响核心业务
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### 安全考虑
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1. **密码保护**：Redis 连接使用密码认证
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2. **网络隔离**：生产环境 Redis 应限制内网访问
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3. **Key加密**：敏感数据的 Key 使用 SHA256 摘要
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4. **定期清理**：依赖 TTL 自动过期，避免内存溢出
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