[ Redis]基于Redis的zset结构实现限流

作者: AbstractCulture | 来源:发表于2020-12-22 00:24 被阅读0次

限流的场景

平时项目开发中，限流的场景较为多见，这里举几个例子:

IO较大的请求，如:文件上传、文件下载。
SSO认证中心获取授权token,一般会分配有效期，如果对外开放，不适合多次请求。
调用第三方接口，会有频次限制。如:阿里云、腾讯云接口等
门户app的发帖、回复、点赞等行为，需要进行限流操作

限流策略

我们可以记录当前请求的次数，约定在指定的时间(period)内，最多允许发生的请求次数(maxRequestCount)。
此时，我们对外暴露的接口约定可以按以下的方式:

package com.xjm.spring.data.redis.core.limit.support;

/**
 * @author jaymin<br>
 * 限流器<br>
 * 2020/12/21 23:30
 */
public interface RateLimiter {

    /**
     * 本次请求是否在限流次数内
     * @param requestEvent 请求事件，作为Redis存储的key值
     * @param period 时间窗，即需要在多少时间范围内限制该行为
     * @param maxRequestCount 最大请求次数
     * @return
     */
    boolean isAllowed(String requestEvent,int period,int maxRequestCount);
}

如何限流

使用Redis的zset结构可以帮助我们去实现一个简单的限流器。
将请求事件作为key,当前的时间戳作为score,同时填充一个唯一值(可以用UUID,但是会耗费多一点性能，这里使用timestamp)作为value。

RateLimit

可以看到，每次请求进来，都会往zset中增加一个记录。针对不同的事件，采用不同的key值。然后使用redis的zremrangebyscore key minScore maxScore指令来对时间窗内的行为进行裁剪。然后通过zcard key来统计当前时间窗内发生的事件数量进而做出判断即可。

使用pipeline来加快指令执行时间

由于一次限流用到的指令较多，如果你熟悉lua脚本，那么可以针对这个进行lua脚本的编写，这里使用的是redis的管道进行指令加速。

redisClient的技术选型

对于连接Redis，可以使用Jedis，也可以使用Spring的RedisTemplate ,这里使用的是RedisTemplate。

Code

yml配置

spring:
  redis:
    lettuce:
      pool:
        max-wait: -1
        min-idle: 0
        max-idle: 200
        max-active: 100
      shutdown-timeout: 100
    host: 192.168.xx.xxx
    port: 6379
    password: xxx
    database: 0
    timeout: 3000

RedisTemplateConfig

package com.xjm.spring.data.config;

import com.fasterxml.jackson.annotation.JsonAutoDetect;
import com.fasterxml.jackson.annotation.PropertyAccessor;
import com.fasterxml.jackson.databind.ObjectMapper;
import org.apache.commons.pool2.impl.GenericObjectPoolConfig;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.data.redis.connection.RedisPassword;
import org.springframework.data.redis.connection.RedisStandaloneConfiguration;
import org.springframework.data.redis.connection.lettuce.LettuceClientConfiguration;
import org.springframework.data.redis.connection.lettuce.LettuceConnectionFactory;
import org.springframework.data.redis.connection.lettuce.LettucePoolingClientConfiguration;
import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;
import org.springframework.data.redis.serializer.Jackson2JsonRedisSerializer;
import org.springframework.data.redis.serializer.StringRedisSerializer;

import java.time.Duration;

/**
 * com.xjm.redis.template.config
 *
 * @author xiejiemin
 * @create 2020/12/15
 */
@Configuration
public class RedisTemplateConfig {

    @Value("${spring.redis.database}")
    private int database;

    @Value("${spring.redis.host}")
    private String host;

    @Value("${spring.redis.password}")
    private String password;

    @Value("${spring.redis.port}")
    private int port;

    @Value("${spring.redis.timeout}")
    private long timeout;

    @Value("${spring.redis.lettuce.shutdown-timeout}")
    private long shutDownTimeout;

    @Value("${spring.redis.lettuce.pool.max-idle}")
    private int maxIdle;

    @Value("${spring.redis.lettuce.pool.min-idle}")
    private int minIdle;

    @Value("${spring.redis.lettuce.pool.max-active}")
    private int maxActive;

    @Value("${spring.redis.lettuce.pool.max-wait}")
    private long maxWait;

    @Bean
    public LettuceConnectionFactory lettuceConnectionFactory() {
        GenericObjectPoolConfig genericObjectPoolConfig = new GenericObjectPoolConfig();
        genericObjectPoolConfig.setMaxIdle(maxIdle);
        genericObjectPoolConfig.setMinIdle(minIdle);
        genericObjectPoolConfig.setMaxTotal(maxActive);
        genericObjectPoolConfig.setMaxWaitMillis(maxWait);
        genericObjectPoolConfig.setTimeBetweenEvictionRunsMillis(100);
        RedisStandaloneConfiguration redisStandaloneConfiguration = new RedisStandaloneConfiguration();
        redisStandaloneConfiguration.setDatabase(database);
        redisStandaloneConfiguration.setHostName(host);
        redisStandaloneConfiguration.setPort(port);
        redisStandaloneConfiguration.setPassword(RedisPassword.of(password));
        LettuceClientConfiguration clientConfig = LettucePoolingClientConfiguration.builder()
                .commandTimeout(Duration.ofMillis(timeout))
                .shutdownTimeout(Duration.ofMillis(shutDownTimeout))
                .poolConfig(genericObjectPoolConfig)
                .build();

        LettuceConnectionFactory factory = new LettuceConnectionFactory(redisStandaloneConfiguration, clientConfig);
        factory.setShareNativeConnection(true);
        return factory;
    }

    /**
     * 设置 redisTemplate 的序列化设置
     * @param redisConnectionFactory
     * @return
     */
    @Bean("myRedisTemplateConfig")
    public RedisTemplate<Object, Object> redisTemplate(LettuceConnectionFactory lettuceConnectionFactory) {
        // 1.创建 redisTemplate 模版
        RedisTemplate<Object, Object> template = new RedisTemplate<>();
        // 2.关联 redisConnectionFactory
        template.setConnectionFactory(lettuceConnectionFactory);
        // 3.创建 序列化类
        Jackson2JsonRedisSerializer jackson2JsonRedisSerializer = new Jackson2JsonRedisSerializer(Object.class);
        ObjectMapper om = new ObjectMapper();
        // 4.设置可见度
        om.setVisibility(PropertyAccessor.ALL, JsonAutoDetect.Visibility.ANY);
        // 5.启动默认的类型
        om.enableDefaultTyping(ObjectMapper.DefaultTyping.NON_FINAL);
        // 6.序列化类，对象映射设置
        jackson2JsonRedisSerializer.setObjectMapper(om);
        // 7.设置 value 的转化格式和 key 的转化格式
        template.setValueSerializer(jackson2JsonRedisSerializer);
        template.setKeySerializer(new StringRedisSerializer());
        template.afterPropertiesSet();
        template.setEnableTransactionSupport(false);
        return template;
    }

}

RateLimiterLoader

package com.xjm.spring.data.redis.core.limit.support;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import org.springframework.data.redis.core.RedisCallback;
import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;
import org.springframework.data.redis.serializer.RedisSerializer;
import org.springframework.stereotype.Component;

import javax.annotation.Resource;
import java.time.Instant;
import java.util.List;

/**
 * @author jaymin
 * 2020/12/20 20:28
 */
@Component
@Slf4j
public class RateLimiterLoader implements RateLimiter {

    @Resource(name = "myRedisTemplateConfig")
    private RedisTemplate redisTemplate;

    /**
     * 本次请求是否在限流次数内
     *
     * @param requestEvent    请求事件，作为Redis存储的key值
     * @param period          时间窗，即需要在多少时间范围内限制该行为
     * @param maxRequestCount 最大请求次数
     * @return
     */
    @Override
    public boolean isAllowed(String requestEvent, int period, int maxRequestCount) {
        if (StringUtils.isBlank(requestEvent)) {
            throw new RuntimeException("Expect the input parameter to exist, the actual value is empty");
        }
        // 1. 获取当前的时间戳
        long now = Instant.now().toEpochMilli();
        log.info("current timestamp :{}", now);
        RedisSerializer stringSerializer = redisTemplate.getStringSerializer();
        byte[] redisKey = stringSerializer.serialize(requestEvent);
        // 2. 建立管道
        List<Object> list = redisTemplate.executePipelined((RedisCallback) redisConnection -> {
            byte[] value = stringSerializer.serialize(String.valueOf(now));
            // 3. 将当前的操作先存储下来
            redisConnection.zAdd(redisKey, now, value);
            double maxScope = now - period * 1000;
            log.info("max scope:{}", maxScope);
            // 4. 移除时间窗之外的数据
            redisConnection.zRemRangeByScore(redisKey, 0, maxScope);
            // 5. 统计剩下的key
            redisConnection.zCard(redisKey);
            // 6. 将当前key设置过期时间,过期时间为时间窗
            redisConnection.expire(redisKey, period + 1);
            return null;
        });
        Long currentRequestCount = (Long) list.get(2);
        // 8. 比较时间窗内的操作数
        log.info("current request count:{}", currentRequestCount);
        return currentRequestCount <= maxRequestCount;
    }
}

TestController

package com.xjm.modules;

import com.xjm.spring.data.redis.core.limit.support.RateLimiterLoader;
import com.xjm.thread.ThreadPoolUtil;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

/**
 * @author jaymin
 * 2020/12/21 1:15
 */
@RestController
@Slf4j
@RequestMapping(value = "/redis")
public class TestController {
    @Autowired
    private RateLimiterLoader rateLimiter;

    private static volatile int allowedCount = 0;

    @GetMapping("/test")
    public String testRateLimiter(){
        String key = "jaymin:limit:test";
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            if (rateLimiter.isAllowed(key,60,10)){
                allowedCount++;
            }
        }
        return String.format("The allowed count is %s", allowedCount);
    }
}

Result

result

总结

整个限流方案中，scope是最关键的，使用时间戳进行窗口滑动,同时注意保持value值唯一
高并发场景下，存在内存消耗的问题。因为需要记录每次的行为，所以不建议用在大并发(60S内请求次数100W)的场景下。
pipeline是非原子的，如果有严格要求，可以采用lua脚本。

[ Redis]基于Redis的zset结构实现限流

限流的场景

限流策略

如何限流

使用pipeline来加快指令执行时间

redisClient的技术选型

Code

总结

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