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API 限流器(二)史上最優秀的訪問頻率控制器的演算法設計詳解

專案程式碼地址: https://github.com/tangaiyun/RedisRateLimiter

演算法的核心思想是用redis中的有序集合來記錄訪問痕跡,集合的key與時間段序號強相關,集合中加入訪問痕跡元素時,score值和member都來自於redis的當前精確到微秒的時間。

舉例如果限制的時間單位為分鐘,限制字首為一個IP(128.9.9.23)訪問頻率,則當前有序集合的key的運算規則如下:

求出當前時間所處的分鐘序號: long index = Long.parseLong(jedis.time().get(0)) / 60;

當前有序集合的key為:“128.9.9.23”+“:”+index


對於任意一次訪問,設當前時間為T,如上圖所示,我們要分別統計A、B 集合中一個統計區間的元素之和,則對於B集合來說,我們需要統計B集合中到目前為止所有的訪問記錄,其實就是B中的所有元素,簡單一點的做法就是 redis.zcount(keyB, Long.MIN_VALUE,Long.MAX_VALUE)。對於A集合,統計的時間起始點為當前時間-單位時間, 命名為Ta,則Ta = T - 單位時間(微秒)

則A中滿足條件的元素個數為 redis.zcount(keyA, Ta, Long.MAX_VALUE).

如果redis.zcount(keyB, Long.MIN_VALUE,Long.MAX_VALUE) + redis.zcount(keyA, Ta, Long.MAX_VALUE) 小於限制次數,則訪問允許通過,並且在當前的集合中呼叫redis.zadd(key, score, member)。

在呼叫redis.zadd方法時,key、score、member的引數取值邏輯如下:

1. key的取值上述已有說明。

2. Score的取值為當前時間,精度到微秒,演算法為:

private long getRedisTime(Jedis jedis) {
        List<String> jedisTime = jedis.time();
        Long currentSecond = Long.parseLong(jedisTime.get(0));
        Long microSecondsElapseInCurrentSecond = Long.parseLong(jedisTime.get(1));
        Long currentTimeInMicroSecond = currentSecond * 1000000 + microSecondsElapseInCurrentSecond;
        return currentTimeInMicroSecond;

    }

因為redis time命令會返回一個包含兩個字串的列表: 第一個字串是當前時間(以 UNIX 時間戳格式表示,是從1970年1月1日(UTC/GMT的午夜)開始所經過的秒數,不考慮閏秒),而第二個字串是當前這一秒鐘已經逝去的微秒數。

3. member呢?我們如何給member引數傳值?我們說了這個是redis管理的有序集合,集合的意思很明確,就是元素不能重複,如果2次訪問時間一致,則訪問次數會被漏記一次。

  這裡有個簡單可行的方案,就是把member的值設為score的字串化的表示,為什麼可以這麼做?因為redis訪問實際上是單執行緒執行的,而且jedis.time()方法返回的時間精度為微秒級,每一個jedis.time()呼叫耗時應該會超過1微秒,因此我們可以認為每次jedis.time()返回的時間都是唯一且遞增的。

程式碼還有部分邏輯是控制有序集合的TTL的,簡單講TTL = 2 * 單位時間段 + K。

這個頻率訪問控制器經過筆者多次改善,希望大家多多使用,多提意見。

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