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wzjs 2025/7/27 22:14:31
一个app开发大概要多少钱,seo查询网站是什么,优化员工,网站建设犭金手指B排名15目录 引言 滑动窗口限流的基本概念 什么是滑动窗口限流？ 滑动窗口限流的优点 固定窗口限流与滑动窗口限流的对比 固定窗口限流 滑动窗口限流的优势 基于Redis实现滑动窗口限流 Redis数据结构的选择 滑动窗口限流的实现步骤 基础实现代码 解决原子性问题 …

目录

引言

滑动窗口限流的基本概念

什么是滑动窗口限流？

滑动窗口限流的优点

固定窗口限流与滑动窗口限流的对比

固定窗口限流

滑动窗口限流的优势

基于Redis实现滑动窗口限流

Redis数据结构的选择

滑动窗口限流的实现步骤

基础实现代码

解决原子性问题

实战应用示例

扩展知识：其他限流策略

令牌桶算法

Redisson中的RRateLimiter

总结与实践建议

限流策略选择

实现注意事项

性能优化

参考资源

引言

        在当今互联网应用高速发展的时代，高并发系统已成为许多技术架构的标配。然而，伴随高并发而来的是系统稳定性挑战 —— 当请求量超过系统承载能力时，如何保证系统不崩溃？这就是限流技术发挥作用的地方。

        限流就像是为系统安装了一个"减压阀"，能够在流量洪峰到来时，平滑地控制进入系统的请求数量，确保系统稳定运行。本文将聚焦于一种优秀的限流策略 —— **滑动窗口限流**，并结合Redis实现方案，为大家提供一套实用的高并发系统保护方案。

滑动窗口限流的基本概念

什么是滑动窗口限流？

        滑动窗口限流是一种动态流量控制策略，用于精确控制在特定时间段内允许处理的请求数量。它通过不断移动的时间窗口来统计和限制请求频率，达到保护系统的目的。

     从实现角度看，滑动窗口限流需要：

  1. 将时间划分为多个连续的小时间片段（如每秒）
  2. 定义一个较大的时间窗口（如10秒）
  3. 随着时间推移，窗口不断向前滑动
  4. 维护一个计数器，统计当前窗口内的请求总数
  5. 当新请求到达时，检查窗口内计数是否超过限制

滑动窗口限流的优点

滑动窗口限流相比其他限流策略具有以下优势：

  • 平滑控制流量：能够更自然地处理请求分布，避免突然的流量截断
  • 动态适应能力：随着时间推移，窗口动态调整，更符合实际流量变化规律
  • 精确的限流控制：可以精确限制任意时间窗口内的请求数量
  • 防止临界问题：解决了固定窗口在窗口边界可能出现的突发流量问题

固定窗口限流与滑动窗口限流的对比

        为了更好地理解滑动窗口限流的优势，我们先来了解一下更为简单的固定窗口限流。

固定窗口限流

        固定窗口限流将时间划分为固定长度的窗口（如1分钟），并在每个窗口内限制请求总数。当进入新窗口时，计数器会重置为零，重新开始计数。

固定窗口限流的主要问题：

        假设我们限制每分钟最多100个请求，如果在第一个窗口的最后10秒涌入95个请求，紧接着在第二个窗口的前10秒又涌入95个请求，那么在这20秒内系统实际需要处理190个请求 —— 远超我们期望的限制！这就是所谓的临界突发问题。

滑动窗口限流的优势

滑动窗口通过动态调整时间窗口，有效解决了固定窗口的临界突发问题：

  • 在任意时间段内（如任意60秒），请求数都不会超过限制值
  • 随着旧请求逐渐滑出窗口，新的请求才被允许进入
  • 系统负载更加平均，避免突发流量对系统造成冲击

基于Redis实现滑动窗口限流

理论讲完了，接下来我们看看如何使用Redis实现一个高效的滑动窗口限流器。

Redis数据结构的选择

实现滑动窗口限流，我们需要一个能够同时记录时间戳和请求信息的数据结构。在Redis中，有序集合(ZSET) 是一个完美的选择：

  • 每个元素都有一个分数(score)，我们可以用它存储请求的时间戳

  • 元素本身可以存储请求的唯一标识或详情

  • Redis提供了方便的区间操作，可以轻松移除窗口外的过期请求

我们的设计如下：

  • 键名格式：limit_key_{资源名}，例如：limit_key_login

  • 元素(member)：请求的唯一标识（如UUID或请求详情的哈希值）

  • 分数(score)：请求的时间戳

​​​​​​​

滑动窗口限流的实现步骤

  1. 定义滑动窗口大小，如60秒

  2. 每次收到新请求时，获取当前时间戳

  3. 计算窗口的起始时间点（当前时间 - 窗口大小）

  4. 删除窗口外的所有请求记录（使用ZREMRANGEBYSCORE命令）

  5. 统计窗口内的请求数量（使用ZCARD命令）

  6. 如果请求数量未超过限制，则添加新请求并允许通过；否则拒绝请求

基础实现代码

下面是一个简单的Java实现：

import redis.clients.jedis.Jedis;public class SlidingWindowRateLimiter {private Jedis jedis;private int limit;public SlidingWindowRateLimiter(Jedis jedis, int limit) {this.jedis = jedis;this.limit = limit;}/*** 判断请求是否允许通过限流器* @param key 限流资源的标识* @return 是否允许请求通过*/public boolean allowRequest(String key) {// 当前时间戳（毫秒）long currentTime = System.currentTimeMillis();// 计算窗口的起始时间（60秒前）long windowStart = currentTime - 60 * 1000;// 删除窗口外的所有数据jedis.zremrangeByScore(key, "-inf", String.valueOf(windowStart));// 统计窗口内的请求数量long currentRequests = jedis.zcard(key);// 如果请求数量未超过限制，则允许请求通过if (currentRequests < limit) {// 添加当前请求记录String requestId = String.valueOf(currentTime); // 实际应用中应使用UUID等唯一标识jedis.zadd(key, currentTime, requestId);return true;}// 请求数量已达到限制，拒绝请求return false;}
}

解决原子性问题

        上面的实现在高并发场景下存在原子性问题：检查窗口内请求数和添加新请求不是一个原子操作，可能导致超出限制的请求被错误地允许通过。

        为了解决这个问题，我们可以使用Redis的Lua脚本功能，确保整个限流逻辑在Redis服务器上以原子方式执行：

import redis.clients.jedis.Jedis;public class SlidingWindowRateLimiter {private Jedis jedis;private int limit;private int windowSize; // 窗口大小（秒）public SlidingWindowRateLimiter(Jedis jedis, int limit, int windowSize) {this.jedis = jedis;this.limit = limit;this.windowSize = windowSize;}/*** 使用Lua脚本实现原子操作的限流逻辑* @param key 限流资源的标识* @return 是否允许请求通过*/public boolean allowRequest(String key) {// 当前时间戳（毫秒）long currentTime = System.currentTimeMillis();// Lua脚本实现原子操作String luaScript = "-- 计算窗口开始时间\n" +"local window_start = tonumber(ARGV[1]) - (tonumber(ARGV[3]) * 1000)\n" +"-- 删除窗口外的所有请求记录\n" +"redis.call('ZREMRANGEBYSCORE', KEYS[1], '-inf', window_start)\n" +"-- 统计窗口内的请求数量\n" +"local current_requests = redis.call('ZCARD', KEYS[1])\n" +"-- 判断是否允许请求通过\n" +"if current_requests < tonumber(ARGV[2]) then\n" +"    -- 添加当前请求记录\n" +"    redis.call('ZADD', KEYS[1], ARGV[1], ARGV[1])\n" +"    return 1\n" +"else\n" +"    return 0\n" +"end";// 执行Lua脚本Object result = jedis.eval(luaScript, 1,                              // key的数量key,                            // key列表String.valueOf(currentTime),    // 当前时间戳String.valueOf(limit),          // 限制次数String.valueOf(windowSize)      // 窗口大小（秒）);// 解析结果（1=允许，0=拒绝）return (Long) result == 1;}
}

Lua脚本的优势：

  • 确保整个限流逻辑在Redis服务器上原子执行，没有竞态条件
  • 减少客户端和服务器之间的网络往返，提高性能
  • 提供更高的安全性和可靠性

实战应用示例

import redis.clients.jedis.Jedis;public class LoginRateLimiter {private static final String RATE_LIMITER_PREFIX = "limit_key_login_";private SlidingWindowRateLimiter limiter;public LoginRateLimiter(Jedis jedis) {// 创建限流器，设置限制为5次/分钟this.limiter = new SlidingWindowRateLimiter(jedis, 5, 60);}/*** 检查用户登录请求是否允许* @param userId 用户ID* @return 是否允许登录*/public boolean allowLogin(String userId) {String key = RATE_LIMITER_PREFIX + userId;boolean allowed = limiter.allowRequest(key);if (!allowed) {System.out.println("用户" + userId + "登录频率过高，请稍后再试");}return allowed;}public static void main(String[] args) {Jedis jedis = new Jedis("localhost", 6379);LoginRateLimiter loginLimiter = new LoginRateLimiter(jedis);// 模拟用户登录String userId = "user123";for (int i = 0; i < 10; i++) {boolean allowed = loginLimiter.allowLogin(userId);System.out.println("登录尝试 #" + (i+1) + ": " + (allowed ? "成功" : "被限流"));try {Thread.sleep(500); // 每次尝试间隔500毫秒} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}jedis.close();}
}

扩展知识：其他限流策略

令牌桶算法

除了滑动窗口限流，令牌桶算法也是一种常用的限流策略。令牌桶算法的核心思想是：

  1. 系统以固定速率向桶中放入令牌
  2. 每个请求需要获取一个令牌才能执行
  3. 如果桶中没有令牌，请求将被阻塞或拒绝
  4. 桶可以存储一定数量的令牌，允许一定程度的突发流量

与滑动窗口的区别：

  • 令牌桶能够应对突发流量，而滑动窗口更适合平滑限流
  • 令牌桶关注的是平均处理速率，滑动窗口关注的是时间窗口内的请求总数
  • 令牌桶实现稍复杂，但提供更灵活的限流控制

Redisson中的RRateLimiter

        Redisson框架已经为我们提供了一个基于令牌桶算法的限流器——RRateLimiter，使用非常简便：

import org.redisson.api.RRateLimiter;
import org.redisson.api.RateIntervalUnit;
import org.redisson.api.RateType;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.config.Config;public class RedissonRateLimiterExample {private static final String LIMIT_KEY_PREFIX = "api_rate_limit:";private RedissonClient redissonClient;public RedissonRateLimiterExample() {// 配置Redisson客户端Config config = new Config();config.useSingleServer().setAddress("redis://localhost:6379");this.redissonClient = Redisson.create(config);}/*** 尝试获取访问权限* @param key 资源标识* @param limit 限制次数* @param windowSize 时间窗口大小（秒）* @return 是否允许访问*/public boolean tryAcquire(String key, int limit, int windowSize) {// 获取限流器RRateLimiter rateLimiter = redissonClient.getRateLimiter(LIMIT_KEY_PREFIX + key);// 初始化限流器（如果不存在）if (!rateLimiter.isExists()) {// 设置速率：每windowSize秒最多处理limit个请求rateLimiter.trySetRate(RateType.OVERALL, limit, windowSize, RateIntervalUnit.SECONDS);}// 尝试获取访问权限return rateLimiter.tryAcquire();}public void shutdown() {redissonClient.shutdown();}public static void main(String[] args) {RedissonRateLimiterExample example = new RedissonRateLimiterExample();// 模拟API调用（每10秒最多5次）String apiKey = "user_api";for (int i = 0; i < 10; i++) {boolean allowed = example.tryAcquire(apiKey, 5, 10);System.out.println("API调用 #" + (i+1) + ": " + (allowed ? "成功" : "被限流"));try {Thread.sleep(1000); // 每次调用间隔1秒} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}example.shutdown();}
}

总结与实践建议

        通过本文，我们详细介绍了滑动窗口限流的原理和实现方式。以下是一些实践建议：

限流策略选择

  • 滑动窗口限流：适用于需要精确控制时间窗口内请求数量的场景，如登录接口、敏感操作等

  • 令牌桶算法：适用于允许短时间突发流量，但需要控制平均速率的场景，如普通API调用

实现注意事项

  • 在分布式环境中，一定要使用Redis等集中式存储确保限流的全局一致性

  • 使用Lua脚本保证限流操作的原子性，避免竞态条件

  • 为限流器设置合理的过期时间，避免长期占用Redis内存

  • 监控限流情况，及时调整限流参数以适应业务需求

性能优化

  • 可以使用Redis管道(Pipeline)或批量操作减少网络往返

  • 考虑使用本地缓存配合分布式限流，减轻Redis负担

  • 对于超高并发场景，可以采用多级限流策略，如本地限流+分布式限流

        最后，限流只是系统高可用的一个方面，完整的高并发系统保护还需要结合熔断、降级、负载均衡等多种技术手段，共同构建一个健壮的系统防护网。

参考资源

Redis官方文档：ZREMRANGEBYSCORE | Docs

Rediss on框架文档：8. Distributed locks and synchronizers · redisson/redisson Wiki · GitHub

限 流算法详解：Redisson分布式限流器RRateLimiter原理解析 · Issue #13 · oneone1995/blog · GitHub

http://www.dtcms.com/wzjs/118515.html

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