Java并发：分布式应用限流 Redis + Lua 实践

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架构师专栏
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    任何限流都不是漫无目的的，也不是一个开关就可以解决的问题，常用的限流算法有：令牌桶，漏桶。在之前的文章中，也讲到过，但是那是基于单机场景来写。

    之前文章：接口限流算法：漏桶算法&令牌桶算法

    然而再牛逼的机器，再优化的设计，对于特殊场景我们也是要特殊处理的。就拿秒杀来说，可能会有百万级别的用户进行抢购，而商品数量远远小于用户数量。如果这些请求都进入队列或者查询缓存，对于最终结果没有任何意义，徒增后台华丽的数据。对此，为了减少资源浪费，减轻后端压力，我们还需要对秒杀进行限流，只需保障部分用户服务正常即可。

    就秒杀接口来说，当访问频率或者并发请求超过其承受范围的时候，这时候我们就要考虑限流来保证接口的可用性，以防止非预期的请求对系统压力过大而引起的系统瘫痪。通常的策略就是拒绝多余的访问，或者让多余的访问排队等待服务。

    分布式限流

    单机限流，可以用到 AtomicInteger、RateLimiter、Semaphore 这些。但是在分布式中，就不能使用了。常用分布式限流用 Nginx 限流，但是它属于网关层面，不能解决所有问题，例如内部服务，短信接口，你无法保证消费方是否会做好限流控制，所以自己在应用层实现限流还是很有必要的。

    本文不涉及 Nginx + Lua ，简单介绍 Redis + Lua 分布式限流的实现。如果是需要在接入层限流的话，应该直接采用nginx自带的连接数限流模块和请求限流模块。

    Redis + Lua 限流示例

    本次项目使用SpringBoot 2.0.4，使用到 Redis 集群，Lua 限流脚本

    引入依赖

    <dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-aop</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.apache.commons</groupId>
        <artifactId>commons-lang3</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
    </dependency>
</dependencies>

    Redis 配置

    application.properties

    spring.application.name=spring-boot-limit

# Redis数据库索引
spring.redis.database=0
# Redis服务器地址
spring.redis.host=10.4.89.161
# Redis服务器连接端口
spring.redis.port=6379
# Redis服务器连接密码（默认为空）
spring.redis.password=
# 连接池最大连接数（使用负值表示没有限制）
spring.redis.jedis.pool.max-active=8
# 连接池最大阻塞等待时间（使用负值表示没有限制）
spring.redis.jedis.pool.max-wait=-1
# 连接池中的最大空闲连接
spring.redis.jedis.pool.max-idle=8
# 连接池中的最小空闲连接
spring.redis.jedis.pool.min-idle=0
# 连接超时时间（毫秒）
spring.redis.timeout=10000

    Lua 脚本

    参考： 聊聊高并发系统之限流特技
    http://jinnianshilongnian.iteye.com/blog/2305117

    local key = "rate.limit:" .. KEYS[1] --限流KEY
local limit = tonumber(ARGV[1])        --限流大小
local current = tonumber(redis.call('get', key) or "0")
if current + 1 > limit then --如果超出限流大小
  return 0
else  --请求数+1，并设置2秒过期
  redis.call("INCRBY", key,"1")
   redis.call("expire", key,"2")
   return current + 1
end

    1、我们通过KEYS[1] 获取传入的key参数
    2、通过ARGV[1]获取传入的limit参数
    3、redis.call方法，从缓存中get和key相关的值，如果为nil那么就返回0
    4、接着判断缓存中记录的数值是否会大于限制大小，如果超出表示该被限流，返回0
    5、如果未超过，那么该key的缓存值+1，并设置过期时间为1秒钟以后，并返回缓存值+1

    限流注解

    注解的目的，是在需要限流的方法上使用

    package com.souyunku.example.annotation;
/**
 * 描述: 限流注解
 *
 * @author yanpenglei
 * @create 2018-08-16 15:24
 **/
@Target({ElementType.TYPE, ElementType.METHOD})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface RateLimit {

    /**
     * 限流唯一标示
     *
     * @return
     */
    String key() default "";

    /**
     * 限流时间
     *
     * @return
     */
    int time();

    /**
     * 限流次数
     *
     * @return
     */
    int count();
}

    公共配置

    package com.souyunku.example.config;

@Component
public class Commons {

    /**
     * 读取限流脚本
     *
     * @return
     */
    @Bean
    public DefaultRedisScript<Number> redisluaScript() {
        DefaultRedisScript<Number> redisScript = new DefaultRedisScript<>();
        redisScript.setScriptSource(new ResourceScriptSource(new ClassPathResource("rateLimit.lua")));
        redisScript.setResultType(Number.class);
        return redisScript;
    }

    /**
     * RedisTemplate
     *
     * @return
     */
    @Bean
    public RedisTemplate<String, Serializable> limitRedisTemplate(LettuceConnectionFactory redisConnectionFactory) {
        RedisTemplate<String, Serializable> template = new RedisTemplate<String, Serializable>();
        template.setKeySerializer(new StringRedisSerializer());
        template.setValueSerializer(new GenericJackson2JsonRedisSerializer());
        template.setConnectionFactory(redisConnectionFactory);
        return template;
    }

}

    拦截器

    通过拦截器 拦截@RateLimit注解的方法，使用Redsi execute 方法执行我们的限流脚本，判断是否超过限流次数

    以下下是核心代码

    package com.souyunku.example.config;

/**
 * 描述:拦截器
 *
 * @author yanpenglei
 * @create 2018-08-16 15:33
 **/
@Aspect
@Configuration
public class LimitAspect {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(LimitAspect.class);

    @Autowired
    private RedisTemplate<String, Serializable> limitRedisTemplate;

    @Autowired
    private DefaultRedisScript<Number> redisluaScript;

    @Around("execution(* com.souyunku.example.controller ..*(..) )")
    public Object interceptor(ProceedingJoinPoint joinPoint) throws Throwable {

        MethodSignature signature = (MethodSignature) joinPoint.getSignature();
        Method method = signature.getMethod();
        Class<?> targetClass = method.getDeclaringClass();
        RateLimit rateLimit = method.getAnnotation(RateLimit.class);

        if (rateLimit != null) {
            HttpServletRequest request = ((ServletRequestAttributes) RequestContextHolder.getRequestAttributes()).getRequest();
            String ipAddress = getIpAddr(request);

            StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
            stringBuffer.append(ipAddress).append("-")
                    .append(targetClass.getName()).append("- ")
                    .append(method.getName()).append("-")
                    .append(rateLimit.key());

            List<String> keys = Collections.singletonList(stringBuffer.toString());

            Number number = limitRedisTemplate.execute(redisluaScript, keys, rateLimit.count(), rateLimit.time());

            if (number != null && number.intValue() != 0 && number.intValue() <= rateLimit.count()) {
                logger.info("限流时间段内访问第：{} 次", number.toString());
                return joinPoint.proceed();
            }

        } else {
            return joinPoint.proceed();
        }

        throw new RuntimeException("已经到设置限流次数");
    }

    public static String getIpAddr(HttpServletRequest request) {
        String ipAddress = null;
        try {
            ipAddress = request.getHeader("x-forwarded-for");
            if (ipAddress == null || ipAddress.length() == 0 || "unknown".equalsIgnoreCase(ipAddress)) {
                ipAddress = request.getHeader("Proxy-Client-IP");
            }
            if (ipAddress == null || ipAddress.length() == 0 || "unknown".equalsIgnoreCase(ipAddress)) {
                ipAddress = request.getHeader("WL-Proxy-Client-IP");
            }
            if (ipAddress == null || ipAddress.length() == 0 || "unknown".equalsIgnoreCase(ipAddress)) {
                ipAddress = request.getRemoteAddr();
            }
            // 对于通过多个代理的情况，第一个IP为客户端真实IP,多个IP按照','分割
            if (ipAddress != null && ipAddress.length() > 15) { // "***.***.***.***".length()
                // = 15
                if (ipAddress.indexOf(",") > 0) {
                    ipAddress = ipAddress.substring(0, ipAddress.indexOf(","));
                }
            }
        } catch (Exception e) {
            ipAddress = "";
        }
        return ipAddress;
    }
}

    控制层

    添加 @RateLimit() 注解，会在 Redsi 中生成 10 秒中，可以访问5次 的key

    RedisAtomicLong 是为测试例子例，记录累计访问次数，跟限流没有关系。

    package com.souyunku.example.controller;

/**
 * 描述: 测试页
 *
 * @author yanpenglei
 * @create 2018-08-16 15:42
 **/
@RestController
public class LimiterController {

    @Autowired
    private RedisTemplate redisTemplate;

    // 10 秒中，可以访问10次
    @RateLimit(key = "test", time = 10, count = 10)
    @GetMapping("/test")
    public String luaLimiter() {
        RedisAtomicInteger entityIdCounter = new RedisAtomicInteger("entityIdCounter", redisTemplate.getConnectionFactory());

        String date = DateFormatUtils.format(new Date(), "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");

        return date + " 累计访问次数：" + entityIdCounter.getAndIncrement();
    }
}

    启动服务

    package com.souyunku.example;

@SpringBootApplication
public class SpringBootLimitApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(SpringBootLimitApplication.class, args);
    }
}

    启动项目页面访问：http://127.0.0.1:8080/test

    10 秒中，可以访问10次,超过十次，页面就报错，等够10秒，重新计算。

    后台日志

    2018-08-16 18:41:08.205  INFO 18076 --- [nio-8080-exec-1] com.souyunku.example.config.LimitAspect  : 限流时间段内访问第：1 次
2018-08-16 18:41:08.426  INFO 18076 --- [nio-8080-exec-3] com.souyunku.example.config.LimitAspect  : 限流时间段内访问第：2 次
2018-08-16 18:41:08.611  INFO 18076 --- [nio-8080-exec-5] com.souyunku.example.config.LimitAspect  : 限流时间段内访问第：3 次
2018-08-16 18:41:08.819  INFO 18076 --- [nio-8080-exec-7] com.souyunku.example.config.LimitAspect  : 限流时间段内访问第：4 次
2018-08-16 18:41:09.021  INFO 18076 --- [nio-8080-exec-9] com.souyunku.example.config.LimitAspect  : 限流时间段内访问第：5 次
2018-08-16 18:41:09.203  INFO 18076 --- [nio-8080-exec-1] com.souyunku.example.config.LimitAspect  : 限流时间段内访问第：6 次
2018-08-16 18:41:09.406  INFO 18076 --- [nio-8080-exec-3] com.souyunku.example.config.LimitAspect  : 限流时间段内访问第：7 次
2018-08-16 18:41:09.629  INFO 18076 --- [nio-8080-exec-5] com.souyunku.example.config.LimitAspect  : 限流时间段内访问第：8 次
2018-08-16 18:41:09.874  INFO 18076 --- [nio-8080-exec-7] com.souyunku.example.config.LimitAspect  : 限流时间段内访问第：9 次
2018-08-16 18:41:10.178  INFO 18076 --- [nio-8080-exec-9] com.souyunku.example.config.LimitAspect  : 限流时间段内访问第：10 次
2018-08-16 18:41:10.702 ERROR 18076 --- [nio-8080-exec-1] o.a.c.c.C.[.[.[/].[dispatcherServlet]    : Servlet.service() for servlet [dispatcherServlet] in context with path [] threw exception [Request processing failed; nested exception is java.lang.RuntimeException: 已经到设置限流次数] with root cause

java.lang.RuntimeException: 已经到设置限流次数
    at com.souyunku.example.config.LimitAspect.interceptor(LimitAspect.java:73) ~[classes/:na]
    at sun.reflect.GeneratedMethodAccessor35.invoke(Unknown Source) ~[na:na]
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43) ~[na:1.8.0_112]
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498) ~[na:1.8.0_112]

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    源码地址：https://github.com/souyunku/spring-boot-examples/tree/master/spring-boot-limit

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