基于Redis的INCR实现一个限流器

Posted 2021-01-01 进无止境

模式：计数器

计数器是 Redis 的原子性自增操作可实现的最直观的模式了，它的想法相当简单：每当某个操作发生时，向 Redis 发送一个 INCR 命令。

比如在一个 web 应用程序中，如果想知道用户在一年中每天的点击量，那么只要将用户 ID 以及相关的日期信息作为键，并在每次用户点击页面时，执行一次自增操作即可。

比如用户名是 peter ，点击时间是 2012 年 3 月 22 日，那么执行命令 INCR peter::2012.3.22 。

可以用以下几种方式扩展这个简单的模式：

• 可以通过组合使用 INCR 和 EXPIRE ，来达到只在规定的生存时间内进行计数(counting)的目的。
• 客户端可以通过使用 GETSET 命令原子性地获取计数器的当前值并将计数器清零，更多信息请参考 GETSET 命令。
• 使用其他自增/自减操作，比如 DECR 和 INCRBY ，用户可以通过执行不同的操作增加或减少计数器的值，比如在游戏中的记分器就可能用到这些命令。

模式：限速器

限速器是特殊化的计算器，它用于限制一个操作可以被执行的速率(rate)。

限速器的典型用法是限制公开 API 的请求次数，以下是一个限速器实现示例，它将 API 的最大请求数限制在每个 IP 地址每秒钟十个之内：

FUNCTION LIMIT_API_CALL(ip)
ts = CURRENT_UNIX_TIME()
keyname = ip+":"+ts
current = GET(keyname)

IF current != NULL AND current > 10 THEN
    ERROR "too many requests per second"
END

IF current == NULL THEN
    MULTI
        INCR(keyname, 1)
        EXPIRE(keyname, 1)
    EXEC
ELSE
    INCR(keyname, 1)
END

PERFORM_API_CALL()

这个实现每秒钟为每个 IP 地址使用一个不同的计数器，并用 EXPIRE 命令设置生存时间(这样 Redis 就会负责自动删除过期的计数器)。

注意，我们使用事务打包执行 INCR 命令和 EXPIRE 命令，避免引入竞争条件，保证每次调用 API 时都可以正确地对计数器进行自增操作并设置生存时间。

以下是另一个限速器实现：

FUNCTION LIMIT_API_CALL(ip):
current = GET(ip)
IF current != NULL AND current > 10 THEN
    ERROR "too many requests per second"
ELSE
    value = INCR(ip)
    IF value == 1 THEN
        EXPIRE(ip,1)
    END
    PERFORM_API_CALL()
END

这个限速器只使用单个计数器，它的生存时间为一秒钟，如果在一秒钟内，这个计数器的值大于 10 的话，那么访问就会被禁止。

这个新的限速器在思路方面是没有问题的，但它在实现方面不够严谨，如果我们仔细观察一下的话，就会发现在 INCR 和 EXPIRE 之间存在着一个竞争条件，假如客户端在执行 INCR 之后，因为某些原因(比如客户端失败)而忘记设置 EXPIRE 的话，那么这个计数器就会一直存在下去，造成每个用户只能访问 10 次，噢，这简直是个灾难！

要消灭这个实现中的竞争条件，我们可以将它转化为一个 Lua 脚本，并放到 Redis 中运行(这个方法仅限于 Redis 2.6 及以上的版本)：

local current
current = redis.call("incr",KEYS[1])
if tonumber(current) == 1 then
    redis.call("expire",KEYS[1],1)
end

通过将计数器作为脚本放到 Redis 上运行，我们保证了 INCR 和 EXPIRE 两个操作的原子性，现在这个脚本实现不会引入竞争条件，它可以运作的很好。

关于在 Redis 中运行 Lua 脚本的更多信息，请参考 EVAL 命令。

还有另一种消灭竞争条件的方法，就是使用 Redis 的列表结构来代替 INCR 命令，这个方法无须脚本支持，因此它在 Redis 2.6 以下的版本也可以运行得很好：

FUNCTION LIMIT_API_CALL(ip)
current = LLEN(ip)
IF current > 10 THEN
    ERROR "too many requests per second"
ELSE
    IF EXISTS(ip) == FALSE
        MULTI
            RPUSH(ip,ip)
            EXPIRE(ip,1)
        EXEC
    ELSE
        RPUSHX(ip,ip)
    END
    PERFORM_API_CALL()
END

新的限速器使用了列表结构作为容器， LLEN 用于对访问次数进行检查，一个事务包裹着 RPUSH 和 EXPIRE 两个命令，用于在第一次执行计数时创建列表，并正确设置地设置过期时间，最后， RPUSHX 在后续的计数操作中进行增加操作。