redis实现令牌桶算法思路

本文介绍了一种基于PHP实现的令牌桶限流算法,通过使用Redis存储令牌,有效地控制了请求频率,防止系统过载。文章详细展示了如何创建Redis连接、获取和添加令牌,以及重置令牌桶的过程。

1.常用的限流思路令牌桶算法和漏桶算法

直接令牌桶算法代码

<?php

class TokenBucket{
    private  $_config; //redis设定
    private $_redis;  //redis对象
    private $_queue;  //令牌桶
    private $_max;  //最大令牌数

    /**
     * 创建redis连接
     * @return Redis
     */
    private function connect()
    {
        $redis = new Redis();
        $redis->connect('127.0.0.1',6379);
        $redis->select($this->_config['index']);//用于切换到指定的数据库,数据库索引号 index 用数字值指定,以 0 作为起始索引值。
        return $redis;
    }


    public function __construct($config ,$queue,$max)
    {
        $this->_config = $config;
        $this->_queue = $queue;
        $this->_max = $max;
        $this->_redis = $this->connect();
    }

    /**
     *获取令牌
     */
    public function get()
    {
        return $this->_redis->rPop($this->_queue)?true:false;
    }

    /**
     * 添加令牌
     * @param int $num
     * @return int
     */
    public function add($num =0)
    {
        $currNum = $this->_redis->lSize($this->_queue);

        $maxNum = $this->_max;

        $num = $maxNum >$currNum+$num?$num:$maxNum-$currNum;
        if ($num >0){
            $token = array_fill(0,$num,1);
            $this->_redis->lPush($this->_queue,...$token);
            return $num;
        }
        return 0;
    }

    /**
     * 重新设置了令牌桶,填满令牌
     */
    public function reset()
    {
        $this->_redis->delete($this->_queue);
        $this->add($this->_max);
    }
}

// redis连接设定
$config = array(
    'host' => 'localhost',
    'port' => 6379,
    'index' => 0,
    'auth' => '',
    'timeout' => 1,
    'reserved' => NULL,
    'retry_interval' => 100,
);

$queue = "mycontainer";

$max = 5;

$tokenBucket = new TokenBucket($config,$queue,$max);
$tokenBucket->reset();

// 循环获取令牌,令牌桶内只有5个令牌,因此最后3次获取失败
for($i=0; $i<8; $i++){
    var_dump($tokenBucket->get());
}

// 加入10个令牌,最大令牌为5,因此只能加入5个
$add_num = $tokenBucket->add(10);

var_dump($add_num);

// 循环获取令牌,令牌桶内只有5个令牌,因此最后1次获取失败
for($i=0; $i<6; $i++){
    var_dump($tokenBucket->get());
}














### 使用 Redis 的 Set 数据结构实现令牌桶算法 令牌桶算法是一种用于流量控制的经典方法,可以灵活地限制系统的请求速率。尽管 Redis 的 Sorted Set 是实现令牌桶的常见选择,但也可以通过 Set 数据结构结合时间戳来实现类似机制。 基本思路是:使用 Set 来存储令牌,每个令牌代表一个允许请求的时间点。每当请求到来时,尝试从 Set 中移除一个成员(即消耗一个令牌)。如果 Set 为空,则表示没有可用令牌,请求应被拒绝。为了维护令牌桶的动态性,需要定期清理过期的令牌,并按设定速率补充新的令牌。 以下是一个基于 Redis Set 的令牌桶实现方案: - 使用 `SADD` 添加令牌(成员为唯一标识,例如时间戳或UUID)。 - 使用 `SPOP` 或 `SRANDMEMBER` 获取并移除一个令牌。 - 使用 `SLEN` 查询当前可用令牌数。 - 定期使用 `DEL` 或 `SREM` 清理旧的令牌集合,并重新填充。 由于 Redis 是单线程处理命令的,因此这些操作在执行时是原子性的,不会出现并发问题。为了进一步提高一致性,可以使用 Lua 脚本来封装整个逻辑,确保操作的原子性和可重入性。 ```lua -- Lua 脚本实现基于 Set 的令牌桶 local key = KEYS[1] local rate = tonumber(ARGV[1]) -- 每秒填充速率 local capacity = tonumber(ARGV[2]) -- 桶的容量 local now = tonumber(ARGV[3]) -- 当前时间戳 -- 获取上次填充时间 local last_refill = redis.call('GET', key .. ':last_refill') if not last_refill then last_refill = now - 1 end -- 计算应补充的令牌数 local delta = now - last_refill local tokens_to_add = delta * rate -- 获取当前令牌数 local current_tokens = redis.call('SCARD', key) -- 更新令牌数,不超过桶的容量 current_tokens = math.min(current_tokens + tokens_to_add, capacity) -- 如果没有可用令牌,拒绝请求 if current_tokens == 0 then return -1 end -- 否则,消耗一个令牌 redis.call('SPOP', key) current_tokens = current_tokens - 1 -- 更新最后填充时间 redis.call('SET', key .. ':last_refill', now) -- 返回剩余令牌数 return current_tokens ``` 该脚本通过计算自上次填充以来应添加的令牌数,并更新当前令牌集合的状态,实现令牌桶的动态管理。使用 Lua 脚本可以确保整个操作的原子性,避免多个客户端并发访问时的数据不一致问题[^4]。 需要注意的是,Set 不像 Sorted Set 那样支持基于时间戳的自动排序和清理,因此需要额外维护一个时间戳键(如 `last_refill`)来记录上次填充时间,并在每次执行脚本时进行更新。此外,还需定期清理旧的令牌集合,以避免内存泄漏[^3]。
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