Redis的三种限流方法以及代码详解_java redis集群限流

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前言

在当今互联网时代，随着用户数量和请求量的急剧增加，保护系统的稳定性和可用性变得尤为重要。对于一些关键业务接口或资源，我们需要对访问进行限制，以防止恶意攻击、滥用或过度消耗资源。这就引入了限流机制，即控制请求的速率，确保系统能够按照预期的方式运行。

Redis作为一个高性能的缓存数据库，不仅可以提供快速读写操作，还具备灵活的数据结构和强大的功能。其中，Redis的限流功能非常适合应对高并发请求场景，通过使用Redis的计数器和时间窗口等特性，我们可以轻松实现有效的流量控制。

本文将探讨如何利用Redis实现简单而可靠的限流策略。我们将介绍Redis中的计数器和常用算法，并演示如何使用这些工具来限制请求的频率。通过合理设置限流规则，我们可以保护系统免受过载、拒绝服务和其他潜在风险的影响，提高系统的稳定性和响应能力。

无论您是开发者、系统管理员还是架构师，本文将为您提供详细的指导和示例代码，帮助您了解并应用Redis的限流功能。通过掌握这一重要的技术，您将能够构建更可靠、高效且具有弹性的系统，为用户提供卓越的体验。

让我们深入研究，学习如何利用Redis进行限流，并为我们的系统保驾护航！

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一、为什么我们选择使用Redis来实现限流机制？

在高并发的网络应用中，保护系统的稳定性和可用性是至关重要的。如果没有有效地限制请求的速率，系统可能会面临以下问题：

• 恶意攻击：恶意用户可以通过发送大量请求或者频繁访问敏感接口来占用服务器资源，导致其他合法用户无法正常使用服务。

• 资源耗尽：某些接口或资源可能具有较高的计算或存储成本，在无限制的情况下，过多的请求可能会导致服务器资源耗尽，从而使整个系统崩溃。

• 不公平竞争：当某些用户滥用资源或请求过于频繁时，会导致其他用户无法公平地获得系统的响应，影响到整体用户体验。

因此，我们需要一种有效的方式来控制请求的速率，以保护系统免受这些问题的影响。而Redis正是一个理想的工具，具备以下特点使其成为限流的首选：

• 高性能：Redis是一个内存数据库，读写速度非常快，能够处理大量的请求并返回及时响应，适合在高并发场景下进行限流操作。

• 灵活的数据结构：Redis提供了丰富的数据结构，如字符串、哈希表、有序集合等。这些数据结构可以帮助我们实现不同类型的限流策略，满足各种业务需求。

• 原子操作：Redis支持原子操作，保证限流算法的准确性和一致性。通过使用Redis的计数器和时间窗口等特性，我们可以快速、安全地进行限流操作。

• 分布式支持：Redis可以进行分布式部署，多个节点之间可以共享和协调限流信息，从而实现对整个系统的全局限流。

综上所述，使用Redis来实现限流机制能够有效地防止恶意攻击、资源耗尽和不公平竞争等问题，提高系统的稳定性和可用性。它是一种强大而灵活的工具，为我们提供了一种简单而可靠的方式来控制请求的速率，确保系统能够按照预期的方式运行。

二、限流实战方案

1.令牌桶算法策略

（1）算法原理：

1. 令牌桶初始化时，设置一个固定的容量和速率。

2. 每个时间间隔（例如1秒），向令牌桶中添加一个令牌，直到达到容量上限。

3. 当有请求到达时，首先检查令牌桶中是否有足够的令牌可用。

4. 如果有足够的令牌，则从令牌桶中取一个令牌，并处理请求。

5. 如果没有足够的令牌，则拒绝请求或进入排队等待。

6. 请求处理完毕后，返回结果并释放令牌，使其再次可用。

（2）代码示例：

@Component
public class TokenBucketRateLimiter {
    private final RedisTemplate<String, Object> redisTemplate;
    private final String key;
    private final int capacity;
    private final int rate;

    public TokenBucketRateLimiter(RedisTemplate<String, Object> redisTemplate,
                                  @Value("${rate.limit.key}") String key,
                                  @Value("${rate.limit.capacity}") int capacity,
                                  @Value("${rate.limit.rate}") int rate) {
        this.redisTemplate = redisTemplate;
        this.key = key;
        this.capacity = capacity;
        this.rate = rate;
    }

    public boolean allowRequest() {
        long nowTs = System.currentTimeMillis();
        // 添加当前请求的令牌到有序集合中
        redisTemplate.opsForZSet().add(key, nowTs, nowTs);
        // 移除超过容量的令牌
        redisTemplate.opsForZSet().removeRangeByScore(key, 0, nowTs - capacity * 1000);
        // 判断有序集合中的令牌数量是否超过限制
        return redisTemplate.opsForZSet().zCard(key) <= rate;
    }
}

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注：@Value分别代表限流的key、容量capacity和速率rate，我们可以在配置文件中根据实际需要配置。

在上述代码中，我们定义了一个TokenBucketRateLimiter类，通过构造函数注入了RedisTemplate、限流的key、容量capacity和速率rate等参数。其中：

• allowRequest()方法用于判断是否允许处理新的请求。

• 我们使用redisTemplate.opsForZSet()来操作Redis中的有序集合。

• 在每个请求到达时，我们将当前请求的时间戳作为score添加到有序集合中，同时使用

• removeRangeByScore()方法移除超过容量的令牌。

• 最后，我们检查有序集合中的令牌数量是否超过了限制（rate），如果未超过则返回true，否则返回false。

2.漏桶算法策略

（1）算法原理：

漏桶算法是一种基于队列的限流算法，通过固定速率从桶中漏出请求。在Redis中，可以使用字符串和Lua脚本来实现漏桶算法。

1. 首先，在Redis中创建一个字符串变量，用于表示桶的当前水位。
2. 当有请求到达时，我们读取当前水位并处理请求。如果水位超过阈值，则拒绝请求；否则，将水位增加并处理请求。

（2）代码示例：

@Component
public class LeakyBucketRateLimiter {
    private final RedisTemplate<String, Object> redisTemplate;
    private final String key;
    private final int capacity;
    private final int rate;

    public LeakyBucketRateLimiter(RedisTemplate<String, Object> redisTemplate,
                                  @Value("${rate.limit.key}") String key,
                                  @Value("${rate.limit.capacity}") int capacity,
                                  @Value("${rate.limit.rate}") int rate) {
        this.redisTemplate = redisTemplate;
        this.key = key;
        this.capacity = capacity;
        this.rate = rate;
    }

    public boolean allowRequest() {
        long nowTs = System.currentTimeMillis();
        // 获取当前水位
        Long waterLevel = (Long) redisTemplate.opsForValue().get(key);
        if (waterLevel == null) {
            waterLevel = 0L;
        }
        
        // 计算通过的请求数量
        long passRequests = Math.max(0, (nowTs - waterLevel) / rate);
        if (passRequests > 0) {
            // 更新水位
            redisTemplate.opsForValue().set(key, nowTs);
        }
        
        // 判断水位是否超过容量
        return waterLevel + passRequests <= capacity;
    }
}

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注：@Value分别代表限流的key、容量capacity和速率rate，我们可以在配置文件中根据实际需要配置。
在上述代码中，我们定义了一个LeakyBucketRateLimiter类，通过构造函数注入了RedisTemplate、限流的key、容量capacity和速率rate等参数。其中：

• allowRequest()方法用于判断是否允许通过请求。

• 获取当前时间戳 nowTs。

• 从Redis中获取当前水位 waterLevel，如果没有则设为0。

• 根据时间间隔和请求速率计算通过的请求数量 passRequests。这里使用 (nowTs - waterLevel) / rate - 来计算通过的时间窗口数量，并取最大值保证结果不会小于0。

• 如果 passRequests 大于0，表示有通过的请求，更新水位为当前时间戳 nowTs。

• 判断水位加上通过的请求数量是否超过容量，如果是则返回 false，表示请求过多；否则返回 true，表示可以继续处理请求。

3.Redis计数器策略

（1）原理：

使用 Redis作为计数器可以实现一种简单的限流策略。我们可以通过自增操作对计数器进行更新，并与预设的限流阈值进行比较以确定是否允许通过请求。

（2）代码示例：

@Component
public class RedisRateLimiter {
    private final RedisTemplate<String, Object> redisTemplate;
    private final String key;
    private final int capacity;
    private final int rate;

    public RedisRateLimiter(RedisTemplate<String, Object> redisTemplate,
                                  @Value("${rate.limit.key}") String key,
                                  @Value("${rate.limit.capacity}") int capacity,
                                  @Value("${rate.limit.rate}") int rate) {
        this.redisTemplate = redisTemplate;
        this.key = key;
        this.capacity = capacity;
        this.rate = rate;
    }

    public boolean allowRequest() {
        
        // 自增计数器并获取当前值
        Long count = redisTemplate.opsForValue().increment(key, 1);
        
        // 如果计数超过容量，则拒绝请求
        if (count != null && count > capacity) {
            return false;
        }
        
        // 设置过期时间，使计数器在一定时间后自动重置
        if (count == 1) {
            redisTemplate.expire(redisKey, 1, TimeUnit.SECONDS);
        }
        
        return true;
    }
}

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注：@Value分别代表限流的key、容量capacity和速率rate，我们可以在配置文件中根据实际需要配置。
在上述代码中，我们定义了一个RedisRateLimiter类，通过构造函数注入了RedisTemplate、限流的key、容量capacity和速率rate等参数。其中：

• allowRequest() 方法用于判断是否允许通过请求
• 使用 opsForValue().increment() 方法对计数器进行自增操作，并获取当前值。
• 如果计数超过预设的容量，则表示请求过多，拒绝通过。
• 对于第一次请求（count 为1），设置计数器的过期时间为1秒，使计数器在一段时间后自动重置。
• 允许通过请求。

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总结

在本篇博客中，我们介绍了三种使用 Redis 实现限流的方法。每种方法都有其特定的实现方式和适用场景。

• 漏桶算法（Leaky Bucket）：通过维护一个固定容量的桶和恒定速率的漏洞来控制请求通过的速率。它可以基于 Redis 存储水位和时间戳来判断请求是否可以通过。

• 令牌桶算法（Token Bucket）：类似于漏桶算法，但是不同的是令牌桶算法按照固定速率生成令牌，并将令牌放入到一个桶中。请求需要获取令牌才能被允许通过。可以使用 Redis 的数据结构例如 List 或者 Sorted Set 来实现令牌桶算法。

• 基于计数器的限流：使用 Redis 作为计数器来实现限流。通过自增操作对计数器进行更新，并与预设的限流阈值进行比较以确定是否允许通过请求。可以设置过期时间来重置计数器，在一定时间窗口内控制请求通过的速率。

选择哪种方法取决于具体的需求和场景。漏桶算法和令牌桶算法适用于需要较为精确控制请求通过速率的场景，而使用计数器实现的方法更加简单且易于理解，适用于对请求速率要求不太严格的场景。

在实际应用中，您可以根据具体需求选择合适的限流策略，并结合 Redis 提供的丰富功能和数据结构来实现灵活的请求控制。

最后希望友友们通过阅读本篇博客，能够了解并且学习到Redis作为限流方案的实现方法。