redis+lua实现分布式限流

烟火缠过客2024-06-21 20:47

redis+lua实现分布式限流

文章目录

为什么使用redis+lua实现分布式限流

  1. 原子性：通过Lua脚本执行限流逻辑，所有操作在一个原子上下文中完成，避免了多步操作导致的并发问题。
  2. 灵活性：Lua脚本可以编写复杂的逻辑，比如滑动窗口限流，易于扩展和定制化。
  3. 性能：由于所有逻辑在Redis服务器端执行，减少了网络往返，提高了执行效率。

使用ZSET也可以实现限流，为什么选择lua的方式

使用zset需要额度解决这些问题

  1. 并发控制：需要额外的逻辑来保证操作的原子性和准确性，可能需要配合Lua脚本或Lua脚本+WATCH/MULTI/EXEC模式来实现。
  2. 资源消耗：长期存储请求记录可能导致Redis占用更多的内存资源。

为什么redis+zset不能保证原子性和准确性

  1. 多步骤操作：滑动窗口限流通常需要执行多个步骤，比如检查当前窗口的请求次数、添加新的请求记录、可能还需要删除过期的请求记录等。这些操作如果分开执行，就有可能在多线程或多进程环境下出现不一致的情况。
  2. 非原子性复合操作：虽然单个Redis命令是原子的，但当你需要执行一系列操作来维持限流状态时（例如，先检查计数、再增加计数、最后可能还要删除旧记录），没有一个单一的Redis命令能完成这些复合操作。如果在这系列操作之间有其他客户端修改了数据，就会导致限流不准确。
  3. 竞争条件：在高并发环境下，多个客户端可能几乎同时执行限流检查和增加请求的操作，如果没有适当的同步机制，可能会导致请求计数错误。

实现

依赖

xml 复制代码 
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        <version>2.2.6.RELEASE</version>
        <relativePath/> <!-- lookup parent from repository -->
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    <groupId>com.kang</groupId>
    <artifactId>rate-limiter-project</artifactId>
    <version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
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    <description>rate-limiter-project</description>
    <properties>
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            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
        </dependency>

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            <groupId>org.apache.commons</groupId>
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            <groupId>com.google.guava</groupId>
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            <groupId>org.apache.commons</groupId>
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            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
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        <dependency>
            <groupId>org.projectlombok</groupId>
            <artifactId>lombok</artifactId>
            <optional>true</optional>
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        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
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        </dependency>
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    <build>
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            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
                <configuration>
                    <excludes>
                        <exclude>
                            <groupId>org.projectlombok</groupId>
                            <artifactId>lombok</artifactId>
                        </exclude>
                    </excludes>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

</project>

lua脚本

lua 复制代码 
-- KEYS[1] 是Redis中存储计数的key，，，
local key = KEYS[1]

-- ARGV[1]是当前时间戳-[当前时间戳]
local now = tonumber(ARGV[1])

-- ARGV[2]是最大请求次数-[最大请求次数]
local maxRequests = tonumber(ARGV[2])

-- ARGV[3]是时间窗口长度-[时间窗口长度]
local windowSize = tonumber(ARGV[3])

-- 获取当前时间窗口的起始时间
local windowStart = math.floor(now / windowSize) * windowSize

-- 构建时间窗口内的key，用于区分不同窗口的计数
local windowKey = key .. ':' .. tostring(windowStart)

-- 获取当前窗口的计数
local currentCount = tonumber(redis.call('get', windowKey) or '0')

-- 如果当前时间不在窗口内，重置计数
if now > windowStart + windowSize then
    redis.call('del', windowKey)
    currentCount = 0
end

-- 检查是否超过限制
if currentCount + 1 <= maxRequests then
    -- 未超过，增加计数并返回成功,并设置键的过期时间为窗口剩余时间，以自动清理过期数据。如果超过最大请求次数，则拒绝请求
    redis.call('set', windowKey, currentCount + 1, 'EX', windowSize - (now - windowStart))
    return 1 -- 成功
else
    return 0 -- 失败
end

yaml

yaml 复制代码 
server:
  port: 10086

spring:
  redis:
    host: 127.0.0.1
    port: 6379
    database: 0
    lettuce:
      pool:
        max-active: 20
        max-idle: 10
        min-idle: 5

代码实现

启动类

java 复制代码 
package com.kang.limter;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;

@Slf4j
@SpringBootApplication
public class RateLimiterProjectApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(RateLimiterProjectApplication.class, args);
        log.info("RateLimiterProjectApplication start success");
    }

}

CacheConfig

java 复制代码 
package com.kang.limter.cache;

import com.google.common.cache.CacheBuilder;
import com.google.common.cache.CacheLoader;
import com.google.common.cache.LoadingCache;
import com.kang.limter.utils.LuaScriptUtils;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;

import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

import static com.kang.limter.constant.SystemConstant.REDIS_RATE_LIMITER_LUA_SCRIPT_PATH;

/**
 * @Author Emperor Kang
 * @ClassName CacheConfig
 * @Description 缓存配置
 * @Date 2024/6/13 10:07
 * @Version 1.0
 * @Motto 让营地比你来时更干净
 */
@Slf4j
@Configuration
public class CacheConfig {

    /**
     * 缓存配置,加载lua脚本
     * @return
     */
    @Bean(name = "rateLimiterLuaCache")
    public LoadingCache<String, String> rateLimiterLuaCache() {
        LoadingCache<String, String> cache = CacheBuilder.newBuilder()
                // 设置缓存的最大容量，最多100个键值对
                .maximumSize(100)
                // 设置缓存项过期策略：写入后2小时过期
                .expireAfterWrite(2, TimeUnit.HOURS)
                // 缓存统计信息记录
                .recordStats()
                // 构建缓存加载器，用于加载缓存项的值
                .build(new CacheLoader<String, String>() {
                    @Override
                    public String load(String scriptPath) throws Exception {
                        try {
                            return LuaScriptUtils.loadLuaScript(scriptPath);
                        } catch (Exception e) {
                            log.error("加载lua脚本失败：{}", e.getMessage());
                            return null;
                        }
                    }
                });

        // 预热缓存
        warmUpCache(cache);

        return cache;
    }

    /**
     * 预热缓存
     */
    private void warmUpCache(LoadingCache<String, String> cache) {
        try {
            // 假设我们有一个已知的脚本列表需要预热
            List<String> knownScripts = Collections.singletonList(REDIS_RATE_LIMITER_LUA_SCRIPT_PATH);
            for (String script : knownScripts) {
                String luaScript = LuaScriptUtils.loadLuaScript(script);
                // 手动初始化缓存
                cache.put(script, luaScript);
                log.info("预加载Lua脚本成功: {}, length: {}", script, luaScript.length());
            }
        } catch (Exception e) {
            log.error("预加载Lua脚本失败: {}", e.getMessage(), e);
        }
    }
}
  • 这里使用缓存预热加快lua脚本的加载速度，基于JVM内存操作，所以很快

SystemConstant

java 复制代码 
package com.kang.limter.constant;

/**
 * @Author Emperor Kang
 * @ClassName SystemConstant
 * @Description 系统常量
 * @Date 2024/6/12 19:25
 * @Version 1.0
 * @Motto 让营地比你来时更干净
 */
public class SystemConstant {
    /**
     * 限流配置缓存key前缀
     */
    public static final String REDIS_RATE_LIMITER_KEY_PREFIX = "outreach:config:limiter:%s";

    /**
     * 限流lua脚本路径
     */
    public static final String REDIS_RATE_LIMITER_LUA_SCRIPT_PATH = "classpath:lua/rate_limiter.lua";
}

RateLimiterController

java 复制代码 
package com.kang.limter.controller;

import com.kang.limter.dto.RateLimiterRequestDto;
import com.kang.limter.utils.RateLimiterUtil;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.PostMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestBody;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

import static java.lang.Thread.sleep;

/**
 * @Author Emperor Kang
 * @ClassName RateLimiterController
 * @Description TODO
 * @Date 2024/6/12 19:33
 * @Version 1.0
 * @Motto 让营地比你来时更干净
 */
@Slf4j
@RestController
@RequestMapping("/rate/limiter")
public class RateLimiterController {
    @Autowired
    private RateLimiterUtil rateLimiterUtil;

    @PostMapping("/test")
    public String test(@RequestBody RateLimiterRequestDto rateLimiterRequestDto) {
        // 是否限流
        if (!rateLimiterUtil.tryAcquire(rateLimiterRequestDto.getInterfaceCode(), 5, 1000)) {
            log.info("触发限流策略,InterfaceCode:{}", rateLimiterRequestDto.getInterfaceCode());
            return "我被限流了InterfaceCode:" + rateLimiterRequestDto.getInterfaceCode();
        }

        log.info("请求参数：{}", rateLimiterRequestDto);

        try {
            log.info("开始加工逻辑");
            sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("休眠异常");
            Thread.currentThread().interrupt();
            return "加工异常";
        }

        return "加工成功，成功返回";
    }
}

RateLimiterRequestDto

java 复制代码 
package com.kang.limter.dto;

import lombok.Data;

/**
 * @Author Emperor Kang
 * @ClassName RateLimiterRequestDto
 * @Description TODO
 * @Date 2024/6/12 19:39
 * @Version 1.0
 * @Motto 让营地比你来时更干净
 */
@Data
public class RateLimiterRequestDto {
    /**
     * 接口编码
     */
    private String interfaceCode;
}

ResourceLoaderException

java 复制代码 
package com.kang.limter.exception;

/**
 * @Author Emperor Kang
 * @ClassName ResourceLoaderException
 * @Description 自定义资源加载异常
 * @Date 2024/6/12 18:10
 * @Version 1.0
 * @Motto 让营地比你来时更干净
 */
public class ResourceLoaderException extends Exception{
    public ResourceLoaderException() {
        super();
    }

    public ResourceLoaderException(String message) {
        super(message);
    }

    public ResourceLoaderException(String message, Throwable cause) {
        super(message, cause);
    }

    public ResourceLoaderException(Throwable cause) {
        super(cause);
    }

    protected ResourceLoaderException(String message, Throwable cause, boolean enableSuppression, boolean writableStackTrace) {
        super(message, cause, enableSuppression, writableStackTrace);
    }
}

LuaScriptUtils

java 复制代码 
package com.kang.limter.utils;

import com.kang.limter.exception.ResourceLoaderException;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.core.io.DefaultResourceLoader;
import org.springframework.core.io.Resource;
import org.springframework.core.io.ResourceLoader;
import org.springframework.util.Assert;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

@Slf4j
public class LuaScriptUtils {

    /**
     * 从类路径下读取Lua脚本内容。
     * @param scriptPath 类路径下的Lua脚本文件路径
     * @return Lua脚本的文本内容
     */
    public static String loadLuaScript(String scriptPath) throws ResourceLoaderException {
        Assert.notNull(scriptPath, "script path must not be null");
        try {
            // 读取lua脚本
            ResourceLoader resourceLoader = new DefaultResourceLoader();
            Resource resource = resourceLoader.getResource(scriptPath);
            try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(resource.getInputStream(), StandardCharsets.UTF_8))) {
                StringBuilder scriptBuilder = new StringBuilder();
                String line;
                while ((line = reader.readLine()) != null) {
                    scriptBuilder.append(line).append("\n");
                }
                String lua = scriptBuilder.toString();
                log.debug("读取的lua脚本为: {}", lua);
                return lua;
            }
        } catch (Exception e) {
            log.error("Failed to load Lua script from path: {}", scriptPath, e);
            throw new ResourceLoaderException("Failed to load Lua script from path: " + scriptPath, e);
        }
    }
}

RateLimiterUtil

java 复制代码 
package com.kang.limter.utils;

import com.google.common.cache.LoadingCache;
import com.kang.limter.exception.ResourceLoaderException;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Qualifier;
import org.springframework.data.redis.connection.ReturnType;
import org.springframework.data.redis.core.RedisCallback;
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
import org.springframework.stereotype.Component;
import org.springframework.util.Assert;

import java.nio.charset.StandardCharsets;

import static com.kang.limter.constant.SystemConstant.REDIS_RATE_LIMITER_KEY_PREFIX;
import static com.kang.limter.constant.SystemConstant.REDIS_RATE_LIMITER_LUA_SCRIPT_PATH;

/**
 * @Author Emperor Kang
 * @ClassName RateLimiterUtil
 * @Description 限流工具类
 * @Date 2024/6/12 17:56
 * @Version 1.0
 * @Motto 让营地比你来时更干净
 */
@Slf4j
@Component
public class RateLimiterUtil {
    @Autowired
    private StringRedisTemplate redisTemplate;

    @Autowired
    @Qualifier("rateLimiterLuaCache")
    private LoadingCache<String, String> rateLimiterLuaCache;


    /**
     * @param interfaceCode 接口标识
     * @param maxRequests   最大请求数
     * @param windowSizeMs  窗口大小
     * @return boolean
     * @Description 尝试获取令牌
     * @Author Emperor Kang
     * @Date 2024/6/12 17:57
     * @Version 1.0
     */
    public boolean tryAcquire(String interfaceCode, int maxRequests, long windowSizeMs) {
        try {
            long currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();

            String luaScript = rateLimiterLuaCache.get(REDIS_RATE_LIMITER_LUA_SCRIPT_PATH);
            log.info("缓存查询lua,length={}", luaScript.length());

            if(StringUtils.isBlank(luaScript)){
                log.info("从缓存中未获取到lua脚本,尝试手动读取");
                luaScript = LuaScriptUtils.loadLuaScript(REDIS_RATE_LIMITER_LUA_SCRIPT_PATH);
            }

            // 二次确认
            if(StringUtils.isBlank(luaScript)){
                log.info("lua脚本加载失败,暂时放弃获取许可,不再限流");
                return true;
            }

            // 限流核心逻辑
            String finalLuaScript = luaScript;
            Long result = redisTemplate.execute((RedisCallback<Long>) connection -> {
                // 用于存储的key
                byte[] key = String.format(REDIS_RATE_LIMITER_KEY_PREFIX, interfaceCode).getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
                // 当前时间(毫秒)
                byte[] now = String.valueOf(currentTimeMillis).getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
                // 最大请求数
                byte[] maxRequestsBytes = String.valueOf(maxRequests).getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
                // 窗口大小
                byte[] windowSizeBytes = String.valueOf(windowSizeMs).getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
                // 执行lua脚本
                return connection.eval(finalLuaScript.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), ReturnType.INTEGER, 1, key, now, maxRequestsBytes, windowSizeBytes);
            });

            Assert.notNull(result, "执行lua脚本响应结果为null");

            // 获取结果
            return result == 1L;
        } catch (ResourceLoaderException e) {
            log.error("加载lua脚本失败", e);
        } catch (Exception e){
            log.error("执行限流逻辑异常", e);
        }
        return true;
    }
}

lua脚本

lua 复制代码 
-- KEYS[1] 是Redis中存储计数的key，，，
local key = KEYS[1]

-- ARGV[1]是当前时间戳-[当前时间戳]
local now = tonumber(ARGV[1])

-- ARGV[2]是最大请求次数-[最大请求次数]
local maxRequests = tonumber(ARGV[2])

-- ARGV[3]是时间窗口长度-[时间窗口长度]
local windowSize = tonumber(ARGV[3])

-- 获取当前时间窗口的起始时间
local windowStart = math.floor(now / windowSize) * windowSize

-- 构建时间窗口内的key，用于区分不同窗口的计数
local windowKey = key .. ':' .. tostring(windowStart)

-- 获取当前窗口的计数
local currentCount = tonumber(redis.call('get', windowKey) or '0')

-- 如果当前时间不在窗口内，重置计数
if now > windowStart + windowSize then
    redis.call('del', windowKey)
    currentCount = 0
end

-- 检查是否超过限制
if currentCount + 1 <= maxRequests then
    -- 未超过，增加计数并返回成功,并设置键的过期时间为窗口剩余时间，以自动清理过期数据。如果超过最大请求次数，则拒绝请求
    redis.call('set', windowKey, currentCount + 1, 'EX', windowSize - (now - windowStart))
    return 1 -- 成功
else
    return 0 -- 失败
end

Jmeter压测

  • 200次请求/s,限流了195，而我们设置的最大令牌数就是5
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