详解Redisson分布式限流的实现原理

Posted 2023-03-15

  我们目前在工作中遇到一个性能问题，我们有个定时任务需要处理大量的数据，为了提升吞吐量，所以部署了很多台机器，但这个任务在运行前需要从别的服务那拉取大量的数据，随着数据量的增大，如果同时多台机器并发拉取数据，会对下游服务产生非常大的压力。之前已经增加了单机限流，但无法解决问题，因为这个数据任务运行中只有不到10%的时间拉取数据，如果单机限流限制太狠，虽然集群总的请求量控制住了，但任务吞吐量又降下来。如果限流阈值太高，多机并发的时候，还是有可能压垮下游。 所以目前唯一可行的解决方案就是分布式限流。

  我目前是选择直接使用Redisson库中的RRateLimiter实现了分布式限流，关于Redission可能很多人都有所耳闻，它其实是在Redis能力上构建的开发库，除了支持Redis的基础操作外，还封装了布隆过滤器、分布式锁、限流器……等工具。今天要说的RRateLimiter及时其实现的限流器。接下来本文将详细介绍下RRateLimiter的具体使用方式、实现原理还有一些注意事项，最后简单谈谈我对分布式限流底层原理的理解。

RRateLimiter使用

  RRateLimiter的使用方式异常的简单，参数也不多。只要创建出RedissonClient，就可以从client中获取到RRateLimiter对象，直接看代码示例。

RedissonClient redissonClient = Redisson.create();
RRateLimiter rateLimiter = redissonClient.getRateLimiter("xindoo.limiter");
rateLimiter.trySetRate(RateType.OVERALL, 100, 1, RateIntervalUnit.HOURS); 

  rateLimiter.trySetRate就是设置限流参数，RateType有两种，OVERALL是全局限流 ，PER_CLIENT是单Client限流（可以认为就是单机限流），这里我们只讨论全局模式。而后面三个参数的作用就是设置在多长时间窗口内（rateInterval+IntervalUnit），许可总量不超过多少（rate），上面代码中我设置的值就是1小时内总许可数不超过100个。然后调用rateLimiter的tryAcquire()或者acquire()方法即可获取许可。

rateLimiter.acquire(1); // 申请1份许可，直到成功
boolean res = rateLimiter.tryAcquire(1, 5, TimeUnit.SECONDS); // 申请1份许可，如果5s内未申请到就放弃

  使用起来还是很简单的嘛，以上代码中的两种方式都是同步调用，但Redisson还同样提供了异步方法acquireAsync()和tryAcquireAsync()，使用其返回的RFuture就可以异步获取许可。

RRateLimiter的实现

  接下来我们顺着tryAcquire()方法来看下它的实现方式，在RedissonRateLimiter类中，我们可以看到最底层的tryAcquireAsync()方法。

    private <T> RFuture<T> tryAcquireAsync(RedisCommand<T> command, Long value) 
        byte[] random = new byte[8];
        ThreadLocalRandom.current().nextBytes(random);

        return commandExecutor.evalWriteAsync(getRawName(), LongCodec.INSTANCE, command,
                "——————————————————————————————————————"
                + "这里是一大段lua代码"
                + "____________________________________",
                Arrays.asList(getRawName(), getValueName(), getClientValueName(), getPermitsName(), getClientPermitsName()),
                value, System.currentTimeMillis(), random);
    

  映入眼帘的就是一大段lua代码，其实这段Lua代码就是限流实现的核心，我把这段lua代码摘出来，并加了一些注释，我们来详细看下。

local rate = redis.call("hget", KEYS[1], "rate")  # 100 
local interval = redis.call("hget", KEYS[1], "interval")  # 3600000
local type = redis.call("hget", KEYS[1], "type")  # 0
assert(rate ~= false and interval ~= false and type ~= false, "RateLimiter is not initialized")
local valueName = KEYS[2]      # xindoo.limiter:value 用来存储剩余许可数量
local permitsName = KEYS[4]    # xindoo.limiter:permits 记录了所有许可发出的时间戳  
# 如果是单实例模式，name信息后面就需要拼接上clientId来区分出来了
if type == "1" then
    valueName = KEYS[3]        # xindoo.limiter:value:b474c7d5-862c-4be2-9656-f4011c269d54
    permitsName = KEYS[5]      # xindoo.limiter:permits:b474c7d5-862c-4be2-9656-f4011c269d54
end
# 对参数校验 
assert(tonumber(rate) >= tonumber(ARGV[1]), "Requested permits amount could not exceed defined rate")
# 获取当前还有多少许可 
local currentValue = redis.call("get", valueName)   
local res
# 如果有记录当前还剩余多少许可 
if currentValue ~= false then
    # 回收已过期的许可数量
    local expiredValues = redis.call("zrangebyscore", permitsName, 0, tonumber(ARGV[2]) - interval)
    local released = 0
    for i, v in ipairs(expiredValues) do
        local random, permits = struct.unpack("Bc0I", v)
        released = released + permits
    end
    # 清理已过期的许可记录
    if released > 0 then
        redis.call("zremrangebyscore", permitsName, 0, tonumber(ARGV[2]) - interval)
        if tonumber(currentValue) + released > tonumber(rate) then
            currentValue = tonumber(rate) - redis.call("zcard", permitsName)
        else
            currentValue = tonumber(currentValue) + released
        end
        redis.call("set", valueName, currentValue)
    end
    # ARGV  permit  timestamp  random， random是一个随机的8字节
    # 如果剩余许可不够，需要在res中返回下个许可需要等待多长时间 
    if tonumber(currentValue) < tonumber(ARGV[1]) then
        local firstValue = redis.call("zrange", permitsName, 0, 0, "withscores")
        res = 3 + interval - (tonumber(ARGV[2]) - tonumber(firstValue[2]))
    else
        redis.call("zadd", permitsName, ARGV[2], struct.pack("Bc0I", string.len(ARGV[3]), ARGV[3], ARGV[1]))
        # 减小可用许可量 
        redis.call("decrby", valueName, ARGV[1])
        res = nil
    end
else # 反之，记录到还有多少许可，说明是初次使用或者之前已记录的信息已经过期了，就将配置rate写进去，并减少许可数 
    redis.call("set", valueName, rate)
    redis.call("zadd", permitsName, ARGV[2], struct.pack("Bc0I", string.len(ARGV[3]), ARGV[3], ARGV[1]))
    redis.call("decrby", valueName, ARGV[1])
    res = nil
end
local ttl = redis.call("pttl", KEYS[1])
# 重置
if ttl > 0 then
    redis.call("pexpire", valueName, ttl)
    redis.call("pexpire", permitsName, ttl)
end
return res

  即便是加了注释，相信你还是很难一下子看懂这段代码的，接下来我就以其在Redis中的数据存储形式，然辅以流程图让大家彻底了解其实现实现原理。

  首先用RRateLimiter有个name，在我代码中就是xindoo.limiter，用这个作为KEY你就可以在Redis中找到一个map，里面存储了limiter的工作模式(type)、可数量(rate)、时间窗口大小(interval)，这些都是在limiter创建时写入到的redis中的，在上面的lua代码中也使用到了。

  其次还俩很重要的key，valueName和permitsName，其中在我的代码实现中valueName是xindoo.limiter:value ，它存储的是当前可用的许可数量。我代码中permitsName的具体值是xindoo.limiter:permits，它是一个zset，其中存储了当前所有的许可授权记录（含有许可授权时间戳），其中SCORE直接使用了时间戳，而VALUE中包含了8字节的随机值和许可的数量，如下图：   xindoo.limiter:permits这个zset中存储了所有的历史授权记录，知道了这些信息，相信你也就理解了RRateLimiter的实现原理，我们还是将上面的那大段Lua代码的流程图绘制出来，整个执行的流程会更直观。   看到这大家应该能理解这段Lua代码的逻辑了，可以看到Redis用了多个字段来存储限流的信息，也有各种各样的操作，那Redis是如何保证在分布式下这些限流信息数据的一致性的？答案是不需要保证，在这个场景下，信息天然就是一致性的。原因是Redis的单进程数据处理模型，在同一个Key下，所有的eval请求都是串行的，所有不需要考虑数据并发操作的问题。在这里，Redisson也使用了HashTag，保证所有的限流信息都存储在同一个Redis实例上。

RRateLimiter使用时注意事项

  了解了RRateLimiter的底层原理，再结合Redis自身的特性，我想到了RRateLimiter使用的几个局限点(问题点)。

RRateLimiter是非公平限流器

  这个是我查阅资料得知，并且在自己代码实践的过程中也得到了验证，具体表现就是如果多个实例(机器)取竞争这些许可，很可能某些实例会获取到大部分，而另外一些实例可怜巴巴仅获取到少量的许可，也就是说容易出现旱的旱死 涝的涝死的情况。在使用过程中，你就必须考虑你能否接受这种情况，如果不能接受就得考虑用某些方式尽可能让其变公平。

Rate不要设置太大

  从RRateLimiter的实现原理你也看出了，它采用的是滑动窗口的模式来限流的，而且记录了所有的许可授权信息，所以如果你设置的Rate值过大，在Redis中存储的信息(permitsName对应的zset)也就越多，每次执行那段lua脚本的性能也就越差，这对Redis实例也是一种压力。个人建议如果你是想设置较大的限流阈值，倾向于小Rate+小时间窗口的方式，而且这种设置方式请求也会更均匀一些。

限流的上限取决于Redis单实例的性能

  从原理上看，RRateLimiter在Redis上所存储的信息都必须在一个Redis实例上，所以它的限流QPS的上限就是Redis单实例的上限，比如你Redis实例就是1w QPS，你想用RRateLimiter实现一个2w QPS的限流器，必然实现不了。 那有没有突破Redis单实例性能上限的方式？单限流器肯定是实现不了的，我们可以拆分多个限流器，比如我搞10个限流器，名词用不一样的，然后每台机器随机使用一个限流器限流，实际的流量不就被分散到不同的限流器上了吗，总的限流上线不也就上来了。

分布式限流的本质

   分布式限流的本质实际上就是协同，协同的本质就是信息交换，信息交换最重要的的就是信息的准确性和一致性。 更简单粗暴理解，分布式限流的本质原理其实还是分布式数据一致性的原理，而限流只是数据结果的一种决策。所以只要以任何方式能让信息同步，且保证信息的正确性就可以实现一个分布式限流器了，这就是我理解的本质思路。

   其实从上面的RRateLimiter的实现原理也可以看出来，它不就是存储了一些信息吗！ 那我不用Redis，而是使用mysql行不行。实际肯定是可以的，只要将的上面Lua代码中的所有操作都放到一个事务里，且事务的级别改成串行化，依旧能实现RRateLimiter同样的功能。如果你具备Mysql相关知识的话，肯定也能基于Mysql将RRateLimiter的API封装出来，但是封装出来的限流器，其限流的上限就取决于Mysql实例的性能上限。

   最近chatGPT比较火，我也问了下它对分布式限流本质原理的理解，下面是它的回答，大家觉得怎么样？