redis+lua實(shí)現(xiàn)分布式限流的示例

更新時間：2025年03月24日 09:51:52 作者：煙火纏過客

本文主要介紹了redis+lua實(shí)現(xiàn)分布式限流的示例,可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的限流邏輯,如滑動窗口限流,并且避免了多步操作導(dǎo)致的并發(fā)問題,具有一定的參考價值,感興趣的可以了解一下

為什么使用redis+lua實(shí)現(xiàn)分布式限流

原子性：通過Lua腳本執(zhí)行限流邏輯，所有操作在一個原子上下文中完成，避免了多步操作導(dǎo)致的并發(fā)問題。
靈活性：Lua腳本可以編寫復(fù)雜的邏輯，比如滑動窗口限流，易于擴(kuò)展和定制化。
性能：由于所有邏輯在Redis服務(wù)器端執(zhí)行，減少了網(wǎng)絡(luò)往返，提高了執(zhí)行效率。

使用ZSET也可以實(shí)現(xiàn)限流，為什么選擇lua的方式

使用zset需要額度解決這些問題

并發(fā)控制：需要額外的邏輯來保證操作的原子性和準(zhǔn)確性，可能需要配合Lua腳本或Lua腳本+WATCH/MULTI/EXEC模式來實(shí)現(xiàn)。
資源消耗：長期存儲請求記錄可能導(dǎo)致Redis占用更多的內(nèi)存資源。

為什么redis+zset不能保證原子性和準(zhǔn)確性

多步驟操作：滑動窗口限流通常需要執(zhí)行多個步驟，比如檢查當(dāng)前窗口的請求次數(shù)、添加新的請求記錄、可能還需要刪除過期的請求記錄等。這些操作如果分開執(zhí)行，就有可能在多線程或多進(jìn)程環(huán)境下出現(xiàn)不一致的情況。
非原子性復(fù)合操作：雖然單個Redis命令是原子的，但當(dāng)你需要執(zhí)行一系列操作來維持限流狀態(tài)時（例如，先檢查計(jì)數(shù)、再增加計(jì)數(shù)、最后可能還要刪除舊記錄），沒有一個單一的Redis命令能完成這些復(fù)合操作。如果在這系列操作之間有其他客戶端修改了數(shù)據(jù)，就會導(dǎo)致限流不準(zhǔn)確。
競爭條件：在高并發(fā)環(huán)境下，多個客戶端可能幾乎同時執(zhí)行限流檢查和增加請求的操作，如果沒有適當(dāng)?shù)耐綑C(jī)制，可能會導(dǎo)致請求計(jì)數(shù)錯誤。

實(shí)現(xiàn)

依賴

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                <configuration>
                    <excludes>
                        <exclude>
                            <groupId>org.projectlombok</groupId>
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                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

</project>

lua腳本

-- KEYS[1] 是Redis中存儲計(jì)數(shù)的key，，，
local key = KEYS[1]

-- ARGV[1]是當(dāng)前時間戳-[當(dāng)前時間戳]
local now = tonumber(ARGV[1])

-- ARGV[2]是最大請求次數(shù)-[最大請求次數(shù)]
local maxRequests = tonumber(ARGV[2])

-- ARGV[3]是時間窗口長度-[時間窗口長度]
local windowSize = tonumber(ARGV[3])

-- 獲取當(dāng)前時間窗口的起始時間
local windowStart = math.floor(now / windowSize) * windowSize

-- 構(gòu)建時間窗口內(nèi)的key，用于區(qū)分不同窗口的計(jì)數(shù)
local windowKey = key .. ':' .. tostring(windowStart)

-- 獲取當(dāng)前窗口的計(jì)數(shù)
local currentCount = tonumber(redis.call('get', windowKey) or '0')

-- 如果當(dāng)前時間不在窗口內(nèi)，重置計(jì)數(shù)
if now > windowStart + windowSize then
    redis.call('del', windowKey)
    currentCount = 0
end

-- 檢查是否超過限制
if currentCount + 1 <= maxRequests then
    -- 未超過，增加計(jì)數(shù)并返回成功,并設(shè)置鍵的過期時間為窗口剩余時間，以自動清理過期數(shù)據(jù)。如果超過最大請求次數(shù)，則拒絕請求
    redis.call('set', windowKey, currentCount + 1, 'EX', windowSize - (now - windowStart))
    return 1 -- 成功
else
    return 0 -- 失敗
end

yaml

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

代碼實(shí)現(xiàn)

在這里插入圖片描述

啟動類

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

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 緩存配置
 * @Date 2024/6/13 10:07
 * @Version 1.0
 * @Motto 讓營地比你來時更干凈
 */
@Slf4j
@Configuration
public class CacheConfig {

    /**
     * 緩存配置,加載lua腳本
     * @return
     */
    @Bean(name = "rateLimiterLuaCache")
    public LoadingCache<String, String> rateLimiterLuaCache() {
        LoadingCache<String, String> cache = CacheBuilder.newBuilder()
                // 設(shè)置緩存的最大容量，最多100個鍵值對
                .maximumSize(100)
                // 設(shè)置緩存項(xiàng)過期策略：寫入后2小時過期
                .expireAfterWrite(2, TimeUnit.HOURS)
                // 緩存統(tǒng)計(jì)信息記錄
                .recordStats()
                // 構(gòu)建緩存加載器，用于加載緩存項(xiàng)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("加載lua腳本失?。簕}", e.getMessage());
                            return null;
                        }
                    }
                });

        // 預(yù)熱緩存
        warmUpCache(cache);

        return cache;
    }

    /**
     * 預(yù)熱緩存
     */
    private void warmUpCache(LoadingCache<String, String> cache) {
        try {
            // 假設(shè)我們有一個已知的腳本列表需要預(yù)熱
            List<String> knownScripts = Collections.singletonList(REDIS_RATE_LIMITER_LUA_SCRIPT_PATH);
            for (String script : knownScripts) {
                String luaScript = LuaScriptUtils.loadLuaScript(script);
                // 手動初始化緩存
                cache.put(script, luaScript);
                log.info("預(yù)加載Lua腳本成功: {}, length: {}", script, luaScript.length());
            }
        } catch (Exception e) {
            log.error("預(yù)加載Lua腳本失敗: {}", e.getMessage(), e);
        }
    }
}

這里使用緩存預(yù)熱加快lua腳本的加載速度，基于JVM內(nèi)存操作，所以很快

SystemConstant

package com.kang.limter.constant;

/**
 * @Author Emperor Kang
 * @ClassName SystemConstant
 * @Description 系統(tǒng)常量
 * @Date 2024/6/12 19:25
 * @Version 1.0
 * @Motto 讓營地比你來時更干凈
 */
public class SystemConstant {
    /**
     * 限流配置緩存key前綴
     */
    public static final String REDIS_RATE_LIMITER_KEY_PREFIX = "outreach:config:limiter:%s";

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

RateLimiterController

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 讓營地比你來時更干凈
 */
@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("觸發(fā)限流策略,InterfaceCode:{}", rateLimiterRequestDto.getInterfaceCode());
            return "我被限流了InterfaceCode:" + rateLimiterRequestDto.getInterfaceCode();
        }

        log.info("請求參數(shù)：{}", rateLimiterRequestDto);

        try {
            log.info("開始加工邏輯");
            sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            log.error("休眠異常");
            Thread.currentThread().interrupt();
            return "加工異常";
        }

        return "加工成功，成功返回";
    }
}

RateLimiterRequestDto

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 讓營地比你來時更干凈
 */
@Data
public class RateLimiterRequestDto {
    /**
     * 接口編碼
     */
    private String interfaceCode;
}

ResourceLoaderException

package com.kang.limter.exception;

/**
 * @Author Emperor Kang
 * @ClassName ResourceLoaderException
 * @Description 自定義資源加載異常
 * @Date 2024/6/12 18:10
 * @Version 1.0
 * @Motto 讓營地比你來時更干凈
 */
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

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 {

    /**
     * 從類路徑下讀取Lua腳本內(nèi)容。
     * @param scriptPath 類路徑下的Lua腳本文件路徑
     * @return Lua腳本的文本內(nèi)容
     */
    public static String loadLuaScript(String scriptPath) throws ResourceLoaderException {
        Assert.notNull(scriptPath, "script path must not be null");
        try {
            // 讀取lua腳本
            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("讀取的lua腳本為: {}", 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

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 限流工具類
 * @Date 2024/6/12 17:56
 * @Version 1.0
 * @Motto 讓營地比你來時更干凈
 */
@Slf4j
@Component
public class RateLimiterUtil {
    @Autowired
    private StringRedisTemplate redisTemplate;

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


    /**
     * @param interfaceCode 接口標(biāo)識
     * @param maxRequests   最大請求數(shù)
     * @param windowSizeMs  窗口大小
     * @return boolean
     * @Description 嘗試獲取令牌
     * @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("緩存查詢lua,length={}", luaScript.length());

            if(StringUtils.isBlank(luaScript)){
                log.info("從緩存中未獲取到lua腳本,嘗試手動讀取");
                luaScript = LuaScriptUtils.loadLuaScript(REDIS_RATE_LIMITER_LUA_SCRIPT_PATH);
            }

            // 二次確認(rèn)
            if(StringUtils.isBlank(luaScript)){
                log.info("lua腳本加載失敗,暫時放棄獲取許可,不再限流");
                return true;
            }

            // 限流核心邏輯
            String finalLuaScript = luaScript;
            Long result = redisTemplate.execute((RedisCallback<Long>) connection -> {
                // 用于存儲的key
                byte[] key = String.format(REDIS_RATE_LIMITER_KEY_PREFIX, interfaceCode).getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
                // 當(dāng)前時間(毫秒)
                byte[] now = String.valueOf(currentTimeMillis).getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
                // 最大請求數(shù)
                byte[] maxRequestsBytes = String.valueOf(maxRequests).getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
                // 窗口大小
                byte[] windowSizeBytes = String.valueOf(windowSizeMs).getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
                // 執(zhí)行l(wèi)ua腳本
                return connection.eval(finalLuaScript.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), ReturnType.INTEGER, 1, key, now, maxRequestsBytes, windowSizeBytes);
            });

            Assert.notNull(result, "執(zhí)行l(wèi)ua腳本響應(yīng)結(jié)果為null");

            // 獲取結(jié)果
            return result == 1L;
        } catch (ResourceLoaderException e) {
            log.error("加載lua腳本失敗", e);
        } catch (Exception e){
            log.error("執(zhí)行限流邏輯異常", e);
        }
        return true;
    }
}

lua腳本

-- KEYS[1] 是Redis中存儲計(jì)數(shù)的key，，，
local key = KEYS[1]

-- ARGV[1]是當(dāng)前時間戳-[當(dāng)前時間戳]
local now = tonumber(ARGV[1])

-- ARGV[2]是最大請求次數(shù)-[最大請求次數(shù)]
local maxRequests = tonumber(ARGV[2])

-- ARGV[3]是時間窗口長度-[時間窗口長度]
local windowSize = tonumber(ARGV[3])

-- 獲取當(dāng)前時間窗口的起始時間
local windowStart = math.floor(now / windowSize) * windowSize

-- 構(gòu)建時間窗口內(nèi)的key，用于區(qū)分不同窗口的計(jì)數(shù)
local windowKey = key .. ':' .. tostring(windowStart)

-- 獲取當(dāng)前窗口的計(jì)數(shù)
local currentCount = tonumber(redis.call('get', windowKey) or '0')

-- 如果當(dāng)前時間不在窗口內(nèi)，重置計(jì)數(shù)
if now > windowStart + windowSize then
    redis.call('del', windowKey)
    currentCount = 0
end

-- 檢查是否超過限制
if currentCount + 1 <= maxRequests then
    -- 未超過，增加計(jì)數(shù)并返回成功,并設(shè)置鍵的過期時間為窗口剩余時間，以自動清理過期數(shù)據(jù)。如果超過最大請求次數(shù)，則拒絕請求
    redis.call('set', windowKey, currentCount + 1, 'EX', windowSize - (now - windowStart))
    return 1 -- 成功
else
    return 0 -- 失敗
end