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Spring Boot + Redis 限流实践

作者:爱撒谎的男孩
链接:https://www.cnblogs.com/Chenjiabing/p/12534346.html

导读

  • 前几天和一个朋友讨论了他们公司的系统问题,传统的单体应用,集群部署,他说近期服务的并发量可能会出现瞬时增加的风险,虽然部署了集群,但是通过压测后发现请求延迟仍然是很大,想问问我有什么改进的地方。我沉思了一会,现在去改架构显然是不可能的,于是我给出了一个建议,让他去做个接口限流,这样能够保证瞬时并发量飙高也不会出现请求延迟的问题,用户的体验度也会上去。
  • 至于什么是接口限流?怎么实现接口限流?如何实现单机应用的限流?如何实现分布式应用的限流?本篇文章将会详细阐述。

限流的常见几种算法

  • 常见的限流算法有很多,但是最常用的算法无非以下四种。

固定窗口计数器

  • 固定算法的概念如下

    1. 将时间划分为多个窗口
    2. 在每个窗口内每有一次请求就将计数器加一
    3. 如果计数器超过了限制数量,则本窗口内所有的请求都被丢弃当时间到达下一个窗口时,计数器重置。
  • 固定窗口计数器是最为简单的算法,但这个算法有时会让通过请求量允许为限制的两倍。考虑如下情况:限制 1 秒内最多通过 5 个请求,在第一个窗口的最后半秒内通过了 5 个请求,第二个窗口的前半秒内又通过了 5 个请求。这样看来就是在 1 秒内通过了 10 个请求。

Spring Boot + Redis 限流实践

滑动窗口计数器

Spring Boot + Redis 限流实践

  • 滑动窗口计数器算法概念如下:

    1. 将时间划分为多个区间;
    2. 在每个区间内每有一次请求就将计数器加一维持一个时间窗口,占据多个区间;
    3. 每经过一个区间的时间,则抛弃最老的一个区间,并纳入最新的一个区间;
    4. 如果当前窗口内区间的请求计数总和超过了限制数量,则本窗口内所有的请求都被丢弃。
  • 滑动窗口计数器是通过将窗口再细分,并且按照时间 " 滑动 ",这种算法避免了固定窗口计数器带来的双倍突发请求,但时间区间的精度越高,算法所需的空间容量就越大。

漏桶算法

  • 漏桶算法概念如下:

    1. 将每个请求视作 " 水滴 " 放入 " 漏桶 " 进行存储;
    2. “漏桶 " 以固定速率向外 " 漏 " 出请求来执行如果 " 漏桶 " 空了则停止 " 漏水”;
    3. 如果 " 漏桶 " 满了则多余的 " 水滴 " 会被直接丢弃。
  • 漏桶算法多使用队列实现,服务的请求会存到队列中,服务的提供方则按照固定的速率从队列中取出请求并执行,过多的请求则放在队列中排队或直接拒绝。
  • 漏桶算法的缺陷也很明显,当短时间内有大量的突发请求时,即便此时服务器没有任何负载,每个请求也都得在队列中等待一段时间才能被响应。

令牌桶算法

  • 令牌桶算法概念如下:

    1. 令牌以固定速率生成。
    2. 生成的令牌放入令牌桶中存放,如果令牌桶满了则多余的令牌会直接丢弃,当请求到达时,会尝试从令牌桶中取令牌,取到了令牌的请求可以执行。
    3. 如果桶空了,那么尝试取令牌的请求会被直接丢弃。
  • 令牌桶算法既能够将所有的请求平均分布到时间区间内,又能接受服务器能够承受范围内的突发请求,因此是目前使用较为广泛的一种限流算法。

单体应用实现

  • 在传统的单体应用中限流只需要考虑到多线程即可,使用Google开源工具类guava即可。其中有一个RateLimiter专门实现了单体应用的限流,使用的是令牌桶算法。
  • 单体应用的限流不是本文的重点,官网上现成的API,读者自己去看看即可,这里不再详细解释。

分布式限流

  • 分布式限流和熔断现在有很多的现成的工具,比如Hystrix,Sentinel 等,但是还是有些企业不引用外来类库,因此就需要自己实现。
  • Redis作为单线程多路复用的特性,很显然能够胜任这项任务。

Redis如何实现

  • 使用令牌桶的算法实现,根据前面的介绍,我们了解到令牌桶算法的基础需要两个个变量,分别是桶容量,产生令牌的速率。

  • 这里我们实现的就是每秒产生的速率加上一个桶容量。但是如何实现呢?这里有几个问题。

  • 需要保存什么数据在redis中?

  • 当前桶的容量,最新的请求时间

  • 以什么数据结构存储?

  • 因为是针对接口限流,每个接口的业务逻辑不同,对并发的处理也是不同,因此要细化到每个接口的限流,此时我们选用HashMap的结构,hashKey是接口的唯一id,可以是请求的uri,里面的分别存储当前桶的容量和最新的请求时间。

  • 如何计算需要放令牌?

  • 根据redis保存的上次的请求时间和当前时间比较,如果相差大于的产生令牌的时间(陈某实现的是1秒)则再次产生令牌,此时的桶容量为当前令牌+产生的令牌

  • 如何保证redis的原子性?

  • 保证redis的原子性,使用lua脚本即可解决。

  • 有了上述的几个问题,便能很容易的实现。

开撸

1、lua脚本如下:


    local ratelimit_info = redis.pcall('HMGET',KEYS[1],'last_time','current_token')
    local last_time = ratelimit_info[1]
    local current_token = tonumber(ratelimit_info[2])
    local max_token = tonumber(ARGV[1])
    local token_rate = tonumber(ARGV[2])
    local current_time = tonumber(ARGV[3])
    if current_token == nil then
      current_token = max_token
      last_time = current_time
    else
      local past_time = current_time-last_time

      if past_time>1000 then
          current_token = current_token+token_rate
          last_time = current_time
      end

      ## 防止溢出
      if current_token>max_token then
        current_token = max_token
        last_time = current_time
      end
    end

    local result = 0
    if(current_token>0) then
      result = 1
      current_token = current_token-1
      last_time = current_time
    end
    redis.call('HMSET',KEYS[1],'last_time',last_time,'current_token',current_token)
    return result
  • 调用lua脚本出四个参数,分别是接口方法唯一id,桶容量,每秒产生令牌的数量,当前请求的时间戳。

2、 SpringBoot代码实现

  • 采用Spring-data-redis实现lua脚本的执行。
  • Redis序列化配置:

     /**
         * 重新注入模板
         */
        @Bean(value = "redisTemplate")
        @Primary
        public RedisTemplate redisTemplate(RedisConnectionFactory redisConnectionFactory){
            RedisTemplate<String, Object> template = new RedisTemplate<>();
            template.setConnectionFactory(redisConnectionFactory);
            ObjectMapper objectMapper = new ObjectMapper();
            objectMapper.setSerializationInclusion(JsonInclude.Include.NON_NULL);
            objectMapper.enableDefaultTyping(ObjectMapper.DefaultTyping.NON_FINAL);
            //设置序列化方式,key设置string 方式,value设置成json
            StringRedisSerializer stringRedisSerializer = new StringRedisSerializer();
            Jackson2JsonRedisSerializer jsonRedisSerializer = new Jackson2JsonRedisSerializer(Object.class);
            jsonRedisSerializer.setObjectMapper(objectMapper);
            template.setEnableDefaultSerializer(false);
            template.setKeySerializer(stringRedisSerializer);
            template.setHashKeySerializer(stringRedisSerializer);
            template.setValueSerializer(jsonRedisSerializer);
            template.setHashValueSerializer(jsonRedisSerializer);
            return template;
        }
  • 限流工具类

    /**
     * @Description 限流工具类
     * @Author CJB
     * @Date 2020/3/19 17:21
     */
    public class RedisLimiterUtils {

        private static StringRedisTemplate stringRedisTemplate=ApplicationContextUtils.applicationContext.getBean(StringRedisTemplate.class);

        /**
         * lua脚本,限流
         */
        private final static String TEXT="local ratelimit_info = redis.pcall('HMGET',KEYS[1],'last_time','current_token')\n" +
                "local last_time = ratelimit_info[1]\n" +
                "local current_token = tonumber(ratelimit_info[2])\n" +
                "local max_token = tonumber(ARGV[1])\n" +
                "local token_rate = tonumber(ARGV[2])\n" +
                "local current_time = tonumber(ARGV[3])\n" +
                "if current_token == nil then\n" +
                "  current_token = max_token\n" +
                "  last_time = current_time\n" +
                "else\n" +
                "  local past_time = current_time-last_time\n" +
                "  \n" +
                "  if past_time>1000 then\n" +
                "\t  current_token = current_token+token_rate\n" +
                "\t  last_time = current_time\n" +
                "  end\n" +
                "\n" +
                "  if current_token>max_token then\n" +
                "    current_token = max_token\n" +
                "\tlast_time = current_time\n" +
                "  end\n" +
                "end\n" +
                "\n" +
                "local result = 0\n" +
                "if(current_token>0) then\n" +
                "  result = 1\n" +
                "  current_token = current_token-1\n" +
                "  last_time = current_time\n" +
                "end\n" +
                "redis.call('HMSET',KEYS[1],'last_time',last_time,'current_token',current_token)\n" +
                "return result";

        /**
         * 获取令牌
         * @param key 请求id
         * @param max 最大能同时承受多少的并发(桶容量)
         * @param rate  每秒生成多少的令牌
         * @return 获取令牌返回true,没有获取返回false
         */
        public static boolean tryAcquire(String key, int max,int rate) {
            List<String> keyList = new ArrayList<>(1);
            keyList.add(key);
            DefaultRedisScript<Long> script = new DefaultRedisScript<>();
            script.setResultType(Long.class);
            script.setScriptText(TEXT);
            return Long.valueOf(1).equals(stringRedisTemplate.execute(script,keyList,Integer.toString(max), Integer.toString(rate),
                    Long.toString(System.currentTimeMillis())));
        }
    }
  • 采用拦截器+注解的方式实现,注解如下:

    /**
     * @Description 限流的注解,标注在类上或者方法上。在方法上的注解会覆盖类上的注解,同@Transactional
     * @Author CJB
     * @Date 2020/3/20 13:36
     */
    @Inherited
    @Target({ElementType.TYPE, ElementType.METHOD})
    @Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
    public @interface RateLimit {
        /**
         * 令牌桶的容量,默认100
         * @return
         */
        int capacity() default 100;

        /**
         * 每秒钟默认产生令牌数量,默认10个
         * @return
         */
        int rate() default 10;
    }
  • 拦截器如下:

    /**
     * @Description 限流的拦器
     * @Author CJB
     * @Date 2020/3/19 14:34
     */
    @Component
    public class RateLimiterIntercept implements HandlerInterceptor {
        @Override
        public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler) throws Exception {
            if (handler instanceof HandlerMethod){
                HandlerMethod handlerMethod=(HandlerMethod)handler;
                Method method = handlerMethod.getMethod();
                /**
                 * 首先获取方法上的注解
                 */
                RateLimit rateLimit = AnnotationUtils.findAnnotation(method, RateLimit.class);
                //方法上没有标注该注解,尝试获取类上的注解
                if (Objects.isNull(rateLimit)){
                    //获取类上的注解
                    rateLimit = AnnotationUtils.findAnnotation(handlerMethod.getBean().getClass(), RateLimit.class);
                }

                //没有标注注解,放行
                if (Objects.isNull(rateLimit))
                    return true;

                //尝试获取令牌,如果没有令牌了
                if (!RedisLimiterUtils.tryAcquire(request.getRequestURI(),rateLimit.capacity(),rateLimit.rate())){
                    //抛出请求超时的异常
                    throw new  TimeOutException();
                }
            }
            return true;
        }
    }
  • SpringBoot配置拦截器的代码就不贴了,以上就是完整的代码,至此分布式限流就完成了。

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