固定窗口限流

2025年01月06日

柏拉文

越努力，越幸运

一、认识

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固定窗口限流 将时间划分为固定大小的时间段（如每分钟、每秒），在每个时间段内限制请求次数。当进入下一个时间段时，计数器会重置。具体步骤为: 在 Redis 中为每个用户或操作创建一个计数器键，键名包含时间窗口标识（如时间戳）。当用户发起请求时, 如果键不存在，则创建键并设置初始值为 1，并设置过期时间（等于窗口时长）。如果键已存在，则递增计数器。如果计数器值超过限制，拒绝请求。在固定时间窗口中，限流逻辑可能会出现的问题为: 如果窗口周期结束，计数会立即重置，可能导致流量突增。例如，某 API 每分钟限流 100 次，可能在最后一秒发送 100 次请求，而在下一秒又发送 100 次请求，导致 200 次请求集中在 2 秒内完成。对于精度要求较高的场景，这种计数方式可能不够精确。

二、Node.js

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const redis = require('redis');
const express = require('express');

const app = express();
app.use(express.json());

// 配置 Redis 客户端
const redisClient = redis.createClient();
redisClient.connect().catch(console.error);

// 限流中间件
const rateLimiter = (key, limit, windowInSeconds) => {
  return async (req, res, next) => {
    try {
      const currentCount = await redisClient.get(key);

      if (currentCount) {
        if (parseInt(currentCount) >= limit) {
          return res.status(429).json({ message: 'Too many requests. Please try again later.' });
        }
        // 增加计数
        await redisClient.incr(key);
      } else {
        // 初始计数并设置过期时间
        await redisClient.set(key, 1, { EX: windowInSeconds });
      }

      next();
    } catch (error) {
      console.error('Error in rate limiter:', error);
      res.status(500).json({ message: 'Internal Server Error' });
    }
  };
};

// 应用限流中间件
app.get(
  '/api',
  rateLimiter('rate_limit:global', 100, 60), // 限制全局请求每分钟不超过 100 次
  (req, res) => {
    res.json({ message: 'Request successful' });
  }
);

// 限制用户在 60 秒内最多发送 3 条短信
app.post(
  '/send-sms',
  rateLimiter('rate_limit:sms:{user_id}', 3, 60), // 限制每个用户每分钟最多 3 条
  (req, res) => {
    res.json({ message: 'SMS sent successfully' });
  }
);

// 启动服务器
app.listen(3000, () => {
  console.log('Server running on http://localhost:3000');
});

三、Lua 脚本

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-- 固定窗口限流
local key = KEYS[1]
local limit = tonumber(ARGV[1])
local windowInSeconds = tonumber(ARGV[2])

-- 增加计数器
local count = redis.call('INCR', key)

if count == 1 then
  -- 第一次请求时设置过期时间
  redis.call('EXPIRE', key, windowInSeconds)
end

-- 返回是否允许请求
if count <= limit then
  return 1
else
  return 0
end

四、Pipeline

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如果并发量高，可以通过 Redis Pipeline 批量执行命令，减少网络开销。

五、Lua Node.js

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使用 Redis Lua 脚本和 Node.js 服务结合，可以提升限流操作的效率，因为 Lua 脚本在 Redis 服务器端执行，使用 Lua 脚本, 将限流逻辑放到 Redis 服务端执行, 可以提升限流逻辑的性能和原子性，减少了多次 ZADD、ZCARD 等命令的网络往返，减少了网络通信开销, 避免分布式环境中的并发问题。具体步骤为: 首先加载 Lua 脚本到 Redis, 使用 Redis 客户端的 eval 或 evalsha 方法执行 Lua 脚本。其次，定义脚本和参数，将键、参数和 Lua 脚本传递给 Redis。最后，处理返回值，根据 Lua 脚本返回的结果，决定是否允许请求。

const redis = require('redis');

const redisClient = redis.createClient();
redisClient.connect();

// 固定窗口限流函数
async function fixedWindowRateLimiter(key, limit, windowInSeconds) {
  const luaScript = `
    local key = KEYS[1]
    local limit = tonumber(ARGV[1])
    local windowInSeconds = tonumber(ARGV[2])
    local count = redis.call('INCR', key)
    if count == 1 then
      redis.call('EXPIRE', key, windowInSeconds)
    end
    if count <= limit then
      return 1
    else
      return 0
    end
  `;

  const result = await redisClient.eval(luaScript, {
    keys: [key],
    arguments: [limit, windowInSeconds],
  });

  return result === 1; // 1 表示允许请求，0 表示限流
}

// 示例：限制每分钟最多 100 次请求
(async () => {
  const isAllowed = await fixedWindowRateLimiter('user:12345', 100, 60);
  console.log(isAllowed ? 'Request allowed' : 'Rate limit exceeded');
})();

六、Pipeline Node.js

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如果并发量高，可以通过 Redis Pipeline 批量执行命令，减少网络开销。