Redis和Lua实现分布式限流器的方法详解

主要是依靠 redis + lua 来实现限流器, 使用 lua 的原因是将多条命令合并在一起作为一个原子操作, 无需过多考虑并发.

计数器模式

原理

计数器算法是指在一段窗口时间内允许通过的固定数量的请求, 比如10次/秒, 500次/30秒.

如果设置的时间粒度越细, 那么限流会更平滑.

实现

所使用的 Lua 脚本

-- 计数器限流
-- 此处支持的最小单位时间是秒, 若将 expire 改成 pexpire 则可支持毫秒粒度.
-- KEYS[1] string 限流的key
-- ARGV[1] int  限流数
-- ARGV[2] int  单位时间(秒)

local cnt = tonumber(redis.call("incr", KEYS[1]))

if (cnt == 1) then
 -- cnt 值为1说明之前不存在该值, 因此需要设置其过期时间
 redis.call("expire", KEYS[1], tonumber(ARGV[2]))
elseif (cnt > tonumber(ARGV[1])) then
 return -1
end 

return cnt

返回 -1 表示超过限流, 否则返回当前单位时间已通过的请求数

key 可以但不限于以下的情况

ip + 接口
user_id + 接口

优点

实现简单

缺点

粒度不够细的情况下, 会出现在同一个窗口时间内出现双倍请求数

注意

尽量保持时间粒度精细

场景分析

eg. 1000/3s 的限流

极端情况1:

第1秒请求数 10

第2秒请求数 10

第3秒请求数 980

第4秒请求数 900

第5秒请求数 100

第6秒请求数 0

此时注意第3~5秒内的总请求数高达 1980

极端情况2:

第1秒请求数 1000

第2秒请求数 0

第3秒请求数 0

此时后续的第2~3秒会出现大量拒绝请求

令牌桶模式

原理

令牌桶的

桶中保存有令牌, 存在上限, 且一开始是满的
每次请求都要消耗令牌(可根据不同请求消耗不同数量的令牌)
每隔一段时间(固定速率)会往桶中放令牌

桶的实现还分为:

可预消费

提前预支令牌数: 前人挖坑, 后人跳

不可预消费

令牌数不够直接拒绝

实现

此处实现的不可预消费的令牌桶, 具体Lua代码:

-- 令牌桶限流: 不支持预消费, 初始桶是满的
-- KEYS[1] string 限流的key

-- ARGV[1] int  桶最大容量
-- ARGV[2] int  每次添加令牌数
-- ARGV[3] int  令牌添加间隔(秒)
-- ARGV[4] int  当前时间戳

local bucket_capacity = tonumber(ARGV[1])
local add_token = tonumber(ARGV[2])
local add_interval = tonumber(ARGV[3])
local now = tonumber(ARGV[4])

-- 保存上一次更新桶的时间的key
local LAST_TIME_KEY = KEYS[1].."_time";   
-- 获取当前桶中令牌数
local token_cnt = redis.call("get", KEYS[1]) 
-- 桶完全恢复需要的最大时长
local reset_time = math.ceil(bucket_capacity / add_token) * add_interval;

if token_cnt then -- 令牌桶存在
 -- 上一次更新桶的时间
 local last_time = redis.call('get', LAST_TIME_KEY)
 -- 恢复倍数
 local multiple = math.floor((now - last_time) / add_interval)
 -- 恢复令牌数
 local recovery_cnt = multiple * add_token
 -- 确保不超过桶容量
 local token_cnt = math.min(bucket_capacity, token_cnt + recovery_cnt) - 1
 
 if token_cnt < 0 then
  return -1;
 end
 
 -- 重新设置过期时间, 避免key过期
 redis.call('set', KEYS[1], token_cnt, 'EX', reset_time)      
 redis.call('set', LAST_TIME_KEY, last_time + multiple * add_interval, 'EX', reset_time)
 return token_cnt
 
else -- 令牌桶不存在
 token_cnt = bucket_capacity - 1
 -- 设置过期时间避免key一直存在
 redis.call('set', KEYS[1], token_cnt, 'EX', reset_time);
 redis.call('set', LAST_TIME_KEY, now, 'EX', reset_time + 1); 
 return token_cnt 
end

令牌桶的关键是以下几个参数: