背景

令牌桶限流是一種常見的流量控制算法，用于控制系統(tǒng)的請求處理速率，防止系統(tǒng)過載。在令牌桶限流算法中，可以將請求看作是令牌，而令牌桶則表示系統(tǒng)的處理能力。系統(tǒng)在處理請求時(shí)，首先需要從令牌桶中獲取令牌，如果令牌桶中沒有足夠的令牌，就需要等待一定時(shí)間，直到令牌桶中有足夠的令牌。
具體來說，令牌桶限流算法可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)：
1.系統(tǒng)維護(hù)一個(gè)固定容量的令牌桶，每秒鐘會(huì)向桶中添加一定數(shù)量的令牌，直到桶的容量達(dá)到上限。
2.每次請求來臨時(shí)，需要先從令牌桶中獲取令牌，如果桶中有足夠的令牌，則請求被允許通過，并從桶中移除一個(gè)令牌；如果桶中的令牌數(shù)量不足，則請求被拒絕。具體來說，令牌桶算法會(huì)維護(hù)一個(gè)令牌桶，其中包含一定數(shù)量的令牌，每個(gè)令牌代表一個(gè)可以執(zhí)行操作的許可。在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)，如果有令牌可用，就可以執(zhí)行一個(gè)操作，并將令牌桶中的令牌數(shù)量減少一。如果沒有令牌可用，就不能執(zhí)行操作，需要等待一定時(shí)間，直到令牌桶中有足夠的令牌。
3.由于令牌桶的容量是有限的，因此當(dāng)桶中的令牌數(shù)量達(dá)到上限時(shí)，新的令牌會(huì)被丟棄，從而限制了請求的處理速率。
令牌桶限流算法可以在多種場景中進(jìn)行流量控制，例如 Web 應(yīng)用程序、消息隊(duì)列、數(shù)據(jù)庫等。在 Web 應(yīng)用程序中，可以通過令牌桶限流算法控制 API 的訪問速率，防止 API 被惡意攻擊或者過載。在消息隊(duì)列中，可以通過令牌桶限流算法控制消息的生產(chǎn)和消費(fèi)速率，防止消息堆積和系統(tǒng)崩潰。在數(shù)據(jù)庫中，可以通過令牌桶限流算法控制查詢和寫入操作的速率，防止數(shù)據(jù)庫過載和響應(yīng)時(shí)間過長。

lua腳本實(shí)現(xiàn)令牌桶算法

Lua 腳本可以用來實(shí)現(xiàn) Redis 的令牌桶限流：
1.定義 Redis 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
使用 Redis 的 Hash 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)當(dāng)前令牌桶的狀態(tài)。在 Hash 中，rate 表示速率（每秒生成的令牌數(shù)），capacity 表示桶的容量（最多可以同時(shí)存儲(chǔ)的令牌數(shù)），tokens 表示當(dāng)前桶中的令牌數(shù)量，timestamp 表示上次更新令牌數(shù)量的時(shí)間戳。示例代碼：

HSET rdb:token_bucket rate 10 capacity 100 tokens 100 timestamp 0

2.編寫 Lua 腳本
編寫 Lua 腳本來實(shí)現(xiàn)限流邏輯。在腳本中，首先讀取當(dāng)前時(shí)間戳和桶的狀態(tài)，計(jì)算出從上次更新時(shí)間戳到當(dāng)前時(shí)間應(yīng)該生成的令牌數(shù)量。然后，將當(dāng)前桶中的令牌數(shù)量和應(yīng)該生成的令牌數(shù)量相加，得到當(dāng)前桶中的令牌數(shù)量。如果當(dāng)前桶中的令牌數(shù)量超過了桶的容量，將其限制為桶的容量。
然后，判斷當(dāng)前桶中的令牌數(shù)量是否足夠執(zhí)行操作。如果令牌數(shù)量足夠，將當(dāng)前桶中的令牌數(shù)量減去操作所需的令牌數(shù)量，并更新桶的狀態(tài)。如果令牌數(shù)量不足，則返回限流的錯(cuò)誤信息。
示例代碼：

-- 讀取桶的狀態(tài)
local rate = tonumber(redis.call('HGET', KEYS[1], 'rate'))
local capacity = tonumber(redis.call('HGET', KEYS[1], 'capacity'))
local tokens = tonumber(redis.call('HGET', KEYS[1], 'tokens'))
local timestamp = tonumber(redis.call('HGET', KEYS[1], 'timestamp'))

-- 計(jì)算應(yīng)該生成的令牌數(shù)量
local now = redis.call('TIME')
local elapsed = now[1] - timestamp
local generated = math.floor(elapsed * rate)

-- 更新令牌數(shù)量并限制桶的容量
tokens = math.min(capacity, tokens + generated)

-- 執(zhí)行操作
local required = tonumber(ARGV[1])
if tokens >= required then
    tokens = tokens - required
    redis.call('HSET', KEYS[1], 'tokens', tokens)
    redis.call('HSET', KEYS[1], 'timestamp', now[1])
    return 1
else
    return 0
end

3.在應(yīng)用程序中調(diào)用 Lua 腳本
在應(yīng)用程序中，使用 Redis 的 EVAL 命令來調(diào)用 Lua 腳本。示例代碼：

@Component
public class TokenBucketLimiter {

    @Autowired
    private RedisTemplate<String, String> redisTemplate;

    public boolean tryAcquire(String key, int tokens) {
        List<String> keys = Arrays.asList(key);
        List<String> args = Arrays.asList(Integer.toString(tokens));
        Long result = redisTemplate.execute(new DefaultRedisScript<>(
                "local rate = tonumber(redis.call('HGET', KEYS[1], 'rate')) " +
                        "local capacity = tonumber(redis.call('HGET', KEYS[1], 'capacity')) " +
                        "local tokens = tonumber(redis.call('HGET', KEYS[1], 'tokens')) " +
                        "local timestamp = tonumber(redis.call('HGET', KEYS[1], 'timestamp')) " +
                        "local now = redis.call('TIME') " +
                        "local elapsed = now[1] - timestamp " +
                        "local generated = math.floor(elapsed * rate) " +
                        "tokens = math.min(capacity, tokens + generated) " +
                        "if tokens >= tonumber(ARGV[1]) then " +
                        "    tokens = tokens - tonumber(ARGV[1]) " +
                        "    redis.call('HSET', KEYS[1], 'tokens', tokens) " +
                        "    redis.call('HSET', KEYS[1], 'timestamp', now[1]) " +
                        "    return 1 " +
                        "else " +
                        "    return 0 " +
                        "end",
                Long.class), keys, args);
        return result != null && result == 1L;
    }
}

或者如下腳本：文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-621465.html

-- 返回碼 1:通過限流 0:不通過
-- rate ARGV[1] 每秒填充速率
-- now  ARGV[2] 當(dāng)前時(shí)間
-- capacity ARGV[3] 令牌桶最大數(shù)量
-- request ARGV[4] 需要令牌數(shù)量
local SUCCESS = "1"
local FAIL = "0"
local rate = tonumber(ARGV[1]) -- replenishRate 令令牌桶填充平均速率
local capacity = tonumber(ARGV[2]) -- burstCapacity 令牌桶上限
local now = tonumber(ARGV[3]) -- 機(jī)器傳入的當(dāng)前時(shí)間 秒
local requested = tonumber(ARGV[4]) -- 消耗令牌數(shù)量，默認(rèn)取1

local fill_time = capacity/rate   -- 計(jì)算令牌桶填充滿令牌需要多久時(shí)間
local ttl = math.floor(fill_time*2) -- *2 保證時(shí)間充足

local result = SUCCESS;




-- ttl 防止小于0
if ttl < 1 then
    ttl = 10
end


-- 1、獲取桶內(nèi)令牌剩余數(shù)量
local last_tokens = tonumber(redis.call("get", KEYS[1]))
-- 獲得令牌桶剩余令牌數(shù)
if last_tokens == nil then -- 第一次時(shí)，沒有數(shù)值，所以桶時(shí)滿的
    last_tokens = capacity
end

-- 2、獲取上次更新時(shí)間
local last_refreshed = tonumber(redis.call("get", KEYS[2]))
-- 令牌桶最后填充令牌時(shí)間
if last_refreshed == nil then
    last_refreshed = 0
end

-- 3、本次驗(yàn)證和上次更新時(shí)間的間隔
local delta = math.max(0, now-last_refreshed)
-- 填充令牌，計(jì)算新的令牌桶剩余令牌數(shù) 填充不超過令牌桶令牌上限。
local filled_tokens = math.min(capacity, last_tokens+(delta*rate))

-- 4、判斷令牌數(shù)量是否足夠
local allowed = filled_tokens >= requested
local new_tokens = filled_tokens
local allowed_num = "0"
if allowed then
    -- 若成功，令牌桶剩余令牌數(shù)(new_tokens) 減消耗令牌數(shù)( requested )，并設(shè)置獲取成功( allowed_num = 1 ) 。
    new_tokens = filled_tokens - requested
    allowed_num = SUCCESS
end

-- 5、設(shè)置令牌桶剩余令牌數(shù)( new_tokens ) ，令牌桶最后填充令牌時(shí)間(now) ttl是超時(shí)時(shí)間
redis.call("setex", KEYS[1], ttl, new_tokens)
redis.call("setex", KEYS[2], ttl, now)

if not allowed then
    return FAIL
end

return SUCCESS

到了這里，關(guān)于lua腳本實(shí)現(xiàn)Redis令牌桶限流的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！