也来说说redis+lua实现高并发限流---redis限流器

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我们的灵活用工系统调用优付渠道API做用户签约或资金下发时，优付系统增加了API接口请求的限流策略。

针对每一个商户的每种类型的API请求做限流。比如：同一商户，每秒钟只允许20次签约请求。当每秒请求超过20次时，会提示“客户请求签约接口次数超限”。

那么，我们作为API调用方，就要对并发进行控制，以防出现无效请求。

最常用的并发限流方案是借助redis/jedis。为了保证原子性，这里，我使用Redis+LUA脚本的方式来控制。

那么，

对于服务提供方来说，当请求量超出设定的限流阈值，则直接返回错误码/错误提示，并终止对请求的处理。

而对于调用方来说呢，我们要做的是：当并发请求超出了限定阈值时，要延迟请求，而不是直接丢弃。

话不多说，上代码吧。

redis限流器

如下RedisLimiter类定义了Redis限流器的api：服务提供方使用limit方法实现限流；服务调用方使用limitWait方法实现限流等待（如需）。

package jstudy.redislimit;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;
import org.springframework.data.redis.core.script.DefaultRedisScript;
import org.springframework.data.redis.core.script.RedisScript;
import org.springframework.stereotype.Component;

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

/**
 * Redis+Lua实现高并发限流
 */
@Slf4j
@Component
public class RedisLimiter {

    @Autowired
    private RedisTemplate<String, Object> redisTemplate;

    /**
     * 达到限流时，则等待，直到新的间隔。
     *
     * @param key
     * @param limitCount
     * @param limitSecond
     */
    public void limitWait(String key, int limitCount, int limitSecond) {
        boolean ok;//放行标志
        do {
            ok = limit(key, limitCount, limitSecond);
            log.info("放行标志={}", ok);
            if (!ok) {
                Long ttl = redisTemplate.getExpire(key, TimeUnit.MILLISECONDS);
                if (null != ttl && ttl > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(ttl);
                        log.info("sleeped:{}", ttl);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        } while (!ok);
    }

    /**
     * 限流方法    true-放行；false-限流
     *
     * @param key
     * @param limitCount
     * @param limitSecond
     * @return
     */
    public boolean limit(String key, int limitCount, int limitSecond) {
        List<String> keys = Collections.singletonList(key);
        String luaScript = buildLuaScript();
        RedisScript<Number> redisScript = new DefaultRedisScript<>(luaScript, Number.class);
        Number count = redisTemplate.execute(redisScript, keys, limitCount, limitSecond);
        log.info("Access try count is {} for key = {}", count, key);
        if (count != null && count.intValue() <= limitCount) {
            return true;//放行
        } else {
            return false;//限流
//            throw new RuntimeException("You have been dragged into the blacklist");
        }
    }

    /**
     * 编写 redis Lua 限流脚本
     */
    public String buildLuaScript() {
        StringBuilder lua = new StringBuilder();
        lua.append("local c");
        lua.append("\nc = redis.call('get',KEYS[1])");
        // 实际调用次数超过阈值，则直接返回
        lua.append("\nif c and tonumber(c) > tonumber(ARGV[1]) then");
        lua.append("\nreturn c;");
        lua.append("\nend");
        // 执行计算器自加
        lua.append("\nc = redis.call('incr',KEYS[1])");
        lua.append("\nif tonumber(c) == 1 then");
        // 从第一次调用开始限流，设置对应键值的过期
        lua.append("\nredis.call('expire',KEYS[1],ARGV[2])");
        lua.append("\nend");
        lua.append("\nreturn c;");
        return lua.toString();
    }

}

SpringBoot自动注入的RedisTemplate是RedisTemplate<Object,Object>泛型，上面class使用RedisTemplate<String, Object>，bean定义如下：

package jstudy.redislimit;

import com.fasterxml.jackson.annotation.JsonAutoDetect.Visibility;
import com.fasterxml.jackson.annotation.PropertyAccessor;
import com.fasterxml.jackson.databind.ObjectMapper;
import com.fasterxml.jackson.databind.ObjectMapper.DefaultTyping;
import org.springframework.cache.annotation.CachingConfigurerSupport;
import org.springframework.cache.annotation.EnableCaching;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.data.redis.connection.lettuce.LettuceConnectionFactory;
import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;
import org.springframework.data.redis.serializer.Jackson2JsonRedisSerializer;
import org.springframework.data.redis.serializer.RedisSerializer;
import org.springframework.data.redis.serializer.StringRedisSerializer;

@Configuration
@EnableCaching // 开启缓存支持
public class RedisConfig extends CachingConfigurerSupport {

    /**
     * RedisTemplate配置
     *
     * @param lettuceConnectionFactory
     * @return
     */
    @Bean
    public RedisTemplate<String, Object> redisTemplate(LettuceConnectionFactory lettuceConnectionFactory) {
        // 设置序列化
        Jackson2JsonRedisSerializer<Object> jackson2JsonRedisSerializer = new Jackson2JsonRedisSerializer<Object>(Object.class);
        ObjectMapper om = new ObjectMapper();
        om.setVisibility(PropertyAccessor.ALL, Visibility.ANY);
        om.enableDefaultTyping(DefaultTyping.NON_FINAL);
        jackson2JsonRedisSerializer.setObjectMapper(om);
        // 配置redisTemplate
        RedisTemplate<String, Object> redisTemplate = new RedisTemplate<String, Object>();
        redisTemplate.setConnectionFactory(lettuceConnectionFactory);
        RedisSerializer<?> stringSerializer = new StringRedisSerializer();
        redisTemplate.setKeySerializer(stringSerializer);// key序列化
        redisTemplate.setValueSerializer(jackson2JsonRedisSerializer);// value序列化
        redisTemplate.setHashKeySerializer(stringSerializer);// Hash key序列化
        redisTemplate.setHashValueSerializer(jackson2JsonRedisSerializer);// Hash value序列化
        redisTemplate.afterPropertiesSet();
        return redisTemplate;
    }

}

View Code

并发测试通过，如下是testcase：

package jstudy.redislimit;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.Test;
import org.junit.runner.RunWith;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;
import org.springframework.test.context.junit4.SpringRunner;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

@Slf4j
@SpringBootTest
@RunWith(SpringRunner.class)
public class RedisLimiterTest {
    @Autowired
    private RedisLimiter redisLimiter;

    @Test
    public void testLimitWait() throws InterruptedException {
        ExecutorService pool = Executors.newCachedThreadPool();
        log.info("--------{}", redisTemplate.opsForValue().get("abc"));
        for (int j = 1; j <= 5; j++) {
            int i=j;
            pool.execute(() -> {
                Thread.currentThread().setName( Thread.currentThread().getName().replace("-","_"));
                redisLimiter.limitWait("abc", 3, 1);
                log.info(i + ":" + true + " ttl:" + redisTemplate.getExpire("abc", TimeUnit.MILLISECONDS));
                    try {
                        // 线程等待，模拟执行业务逻辑
                        Thread.sleep(new Random().nextInt(100));
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
            });
        }
        pool.shutdown();
        pool.awaitTermination(2,TimeUnit.SECONDS);
    }
}

View Code

jedis限流算法

如下jedis算法与上面lua脚本相比，实现算法殊途同归。不过，因为不具备原子性，高并发可能会出现冒的情况。所以，要实现精确限流，还是借助上面的lua。

public class JedisLimiter {
    private static JedisPool jedisPool = SpringContextUtils.getBean(JedisPool.class);

    /**
     * 访问频率限制
     *
     * @param key
     * @param seconds
     * @param number
     * @return
     */
    public static boolean isOverLimit(String key, int seconds, int number) {
        Jedis jedis = null;
        try {
            jedis = getResource();
            String value = jedis.get(key);
            if (value == null) {
                jedis.set(key, "1");
                jedis.expire(key, seconds);
                return false;
            } else {
                Long ttl = jedis.ttl(key);
                if (ttl.longValue() > 0) {
                    int parseInt = Integer.parseInt(value);
                    if (parseInt > number) {
                        return true;
                    }
                    jedis.incr(key);
                }
            }
            return false;
        } catch (Exception e) {
            log.warn("jedis限流器异常", e);
        } finally {
            returnResource(jedis);
        }
        return false;
    }
}

Jedis限流算法改造，利用Lua脚本保证原子性

public class JedisLimiter {
    private static JedisPool jedisPool = SpringContextUtils.getBean(JedisPool.class);

    /**
     * 【redis限流器】请求频次是否超出限制
     *
     * @param key       限流key
     * @param timeRange 时间范围
     * @param limitNum  在限制时间内可以请求的次数阈值
     * @return 是否访问超限
     */
    public static boolean isOverLimit(String key, String timeRange, String limitNum) {
        StringBuffer script = new StringBuffer();
//        LUA脚本--如果超限，返回1；否则返回0
//        set的返回值说明："OK"-key不存在，设置成功；null-key已存在
        script.append("local ok = redis.call('set', KEYS[1], 1, 'NX', 'EX', tonumber(ARGV[1])) \n")
                .append("if (ok) then  \n")
                .append("return 0 \n")
                .append("end \n")
                .append("local reqNum = redis.call('incr',KEYS[1])  \n")
                .append("if reqNum> tonumber(ARGV[2]) then  \n")
                .append("return 1  \n")
                .append("end  \n")
                .append("return 0  \n");
        Jedis jedis = null;
        long result;
        try {
            jedis = getResource();
//          KEYS[1]:key ARGV[1]=timeRange ARGV[2]=limitNum
            result = (long) jedis.eval(script.toString(), 1, key, timeRange, limitNum);
//          执行lua脚本返回1，表示访问超限
            if (result == 1) {
                logger.info("访问超限，当前访问次数={}", jedis.get(key));
                return true;
            }
        } catch (JedisException e) {
            logger.error("JedisException=", e);
            return true;
        } catch (Exception e) {
            logger.error("jedis限流器异常", e);
            return true;
        } finally {
            returnResource(jedis);
        }
        return false;
    }
}

关于TTL（Time to Live）

不管是redis还是jedis，其实都是利用了消息的ttl（Time to Live），即，当消息的ttl=0时，消息会自动过期。ttl还见诸于RabbitMQ的死信队列，队列里的消息会延迟消费，当等待ttl指定的时间后，才会自动转移到实时队列。

redis是使用RedisTemplate.expire来设置ttl；使用RedisTemplate.getExpire(key)或RedisTemplate.getExpire(key,TimeUnit)方法来获取ttl。当然，对于并发限流，我们需要使用后者指定时间单位为TimeUnit.MILLISECONDS来得到精确的剩余毫秒数。

jedis是使用Jedis.expire来设置ttl；使用Jedis.ttl(key)方法来获取ttl,返回的时间是毫秒。

getExpire/ttl返回值：