電流制限アルゴリズムの Redis 実装の詳細な説明

インターネット アプリケーションでは、電流制限は非常に重要な技術手段であり、大量の同時トラフィックをスムーズに処理し、サービスの安定性と可用性を確保できます。 Redis は、高性能の分散 NoSQL データベースとして、電流制限アルゴリズムの実装を適切にサポートできるいくつかの機能を備えています。この記事では、電流制限における Redis のアプリケーションについて詳しく紹介します。

1. トークン バケット アルゴリズム

トークン バケット アルゴリズムは、バケットとトークン ジェネレーターに基づいた、比較的一般的な電流制限アルゴリズムです。特定の数のトークンがバケットに保存され、各トークンがリクエストを表します。トークン ジェネレーターは一定のレートでトークンを生成し、それらをバケットに追加します。リクエストが来たとき、バケット内にトークンがあればリクエストの通過が許可され、バケットからトークンが消費されます。それ以外の場合、リクエストは拒否されます。

トークン バケット アルゴリズムの中心的な考え方は、バケット内のトークンの数によって同時リクエストの数を制限することですが、トークン ジェネレーターはリクエストの処理速度を制御できます。 Redis では、順序付きセットを使用してトークン バケット アルゴリズムを実装できます。たとえば、順序付きセットのメンバーはトークンとして表すことができ、そのスコアはトークンの有効期限タイムスタンプを表します。リクエストが届いたら、ZREVRANGEBYSCORE コマンドを使用して、現在のバケット内の有効期限が切れていないトークンの数を取得できます。

2. リーキー バケット アルゴリズム

リーキー バケット アルゴリズムも一般的な電流制限アルゴリズムです。トークン バケット アルゴリズムとの違いは、リーキー バケット アルゴリズムは、カード バケット アルゴリズムのようにトークンを定期的に生成するのではなく、一定の流出率を維持し、さまざまな期間にわたってリクエストを均等に分散します。これにより、リクエスト トラフィックを効果的にスムーズに処理し、突然のリクエストによるサービスの不安定化を防ぐことができます。

Redis では、zset を使用してリーキー バケットをシミュレートできます。各メンバーはリクエストを表し、そのスコアはリクエスト到着のタイムスタンプを表します。新しいリクエストが到着したら、ZREVRANGE コマンドを使用して現在のリーキー バケット内のリクエストの数を取得し、新しいリクエストの通過を許可するかどうかを決定できます。通過が許可された場合、ZREMRANGEBYSCORE コマンドを使用して、新しい要求が zset に追加され、期限切れの要求が zset から削除されます。

3. カウンタ アルゴリズム

カウンタ アルゴリズムは、シンプルで粗雑な電流制限アルゴリズムです。カウンタと時間ウィンドウに基づいています。一定の時間枠に達すると、しきい値を超えると、後続のリクエストは拒否されます。 Redis では、カウンターと有効期限を使用してカウンター アルゴリズムを実装できます。たとえば、INCR コマンドを使用してカウンターをインクリメントできます。カウンターが指定されたしきい値を超えると、要求が多すぎるため拒否する必要があることを意味します。

4. Lua スクリプトの実装

上記の 3 つの一般的な電流制限アルゴリズムに加えて、Lua スクリプトを使用してカスタム電流制限アルゴリズムを実装することもできます。 Lua スクリプトは Redis データ構造とコマンドにアクセスでき、強力な柔軟性と拡張性を備えています。たとえば、タイム ウィンドウとリーキー バケット アルゴリズムに基づく電流制限機能を Lua スクリプトに実装できます。コードは次のとおりです:

local limit_key = KEYS[1]
local limit = tonumber(ARGV[1])
local interval = tonumber(ARGV[2])
local current_time = tonumber(redis.call('TIME')[1])
local current_count = #redis.call('zrangebyscore', limit_key, '-inf', '+inf')
redis.call('zremrangebyscore', limit_key, '-inf', current_time - interval)
if current_count < limit then
redis.call('zadd', limit_key, current_time, current_time)
return 1
else
return 0
end

上記のコードでは、limit_key はリーキー バケットの名前を表します。そして、limit はリーキーバケットが対応できる回数を表し、リクエストの最大数、interval は時間枠のサイズ (秒単位)、current_time は現在のタイムスタンプを表します。まず、スクリプトは zrangebyscore コマンドを使用して、現在のリーキー バケット内の期限切れになっていないリクエストの数を取得します。次に、zremrangebyscore コマンドを使用して、期限切れのリクエストを削除します。次に、リーキー バケット内のリクエスト数が上限に達しているかどうかを確認し、上限に達していない場合は、zadd コマンドを使用してリーキー バケットに新しいリクエストを追加し、通過を許可するフラグを返します。それ以外の場合は、拒否フラグが返されます。最後に、ビジネス処理中に、Lua コードを繰り返しコンパイルするオーバーヘッドを回避するために、このスクリプトを EVALSHA コマンドと組み合わせて使用​​する必要があります。

概要

電流制限は、インターネット アプリケーションにおいて非常に重要なテクノロジであり、大量の同時トラフィックをスムーズに処理し、サービスの安定性と可用性を確保します。 Redis では、トークン バケット アルゴリズム、リーキー バケット アルゴリズム、カウンター アルゴリズムなどの一般的な電流制限アルゴリズムを使用したり、Lua スクリプトを使用して電流リミッターをカスタマイズしたりできます。これらの方法により、リクエスト トラフィックを効果的に制御し、サービスの安定性と可用性を確保できます。

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