講解php 基於redis使用令牌桶演算法實現流量控制的相關內容
- jacklove原創
- 2018-06-08 15:34:222022瀏覽
本文介紹php基於redis，使用令牌桶演算法，實現存取流量的控制，提供完整演算法說明及示範實例，方便大家學習使用。
每當國內長假期或重要節日時，國內的景區或地鐵都會人山人海，導致負載過大，部分則會採用限流措施，限制進入的人數，當區內人數降低到一定值，再允許進入。
例如：
區內最大允許人數為M
區內目前人數為N
每進入一個人，N 1，當N = M時，則不允許進入
每離開一個人，N-1，當N < M時，可允許進入
系統在運作過程中，如遇上某些活動，造訪的人數會在一瞬間內爆增，導致伺服器瞬間壓力飆升，使系統超負荷工作。
當然我們可以增加伺服器去分擔壓力，先增加伺服器也需要一定的時間去配置，而且因為某一個活動而增加伺服器，活動結束後這些伺服器資源就浪費了。
因此我們可以根據業務類型，先使用限流的方式去減輕伺服器壓力。
與景區限流不同，系統的訪問到結束的時間非常短，因此我們只需要知道每個訪問持續的平均時間，設定最多同時訪問的人數即可。
令牌桶演算法
#1.首先設有一個令牌桶，桶內存放令牌，一開始令牌桶內的令牌是滿的（桶內令牌的數量可依伺服器情況設定）。
2.每次存取從桶內取走一個令牌，當桶內令牌為0，則不允許再存取。
3.每隔一段時間，再放入令牌，最多使桶內令牌滿額。 （可以根據實際情況，每隔一段時間放入若干個令牌，或直接補滿令牌桶）
我們可以使用redis的佇列作為令牌桶容器使用，使用lPush（入隊），rPop（出隊），實現令牌加入與消耗的操作。
TrafficShaper.class.php
<?php/**
* PHP基于Redis使用令牌桶算法实现流量控制
* Date: 2018-02-23
* Author: fdipzone
* Version: 1.0
*
* Descripton:
* php基于Redis使用令牌桶算法实现流量控制，使用redis的队列作为令牌桶容器，入队（lPush）出队（rPop)作为令牌的加入与消耗操作。
*
* Func:
* public add 加入令牌
* public get 获取令牌
* public reset 重设令牌桶
* private connect 创建redis连接
*/class TrafficShaper{ // class start
private $_config; // redis设定
private $_redis; // redis对象
private $_queue; // 令牌桶
private $_max; // 最大令牌数
/**
* 初始化
* @param Array $config redis连接设定
*/
public function __construct($config, $queue, $max){
$this->_config = $config; $this->_queue = $queue; $this->_max = $max; $this->_redis = $this->connect();
} /**
* 加入令牌
* @param Int $num 加入的令牌数量
* @return Int 加入的数量
*/
public function add($num=0){
// 当前剩余令牌数
$curnum = intval($this->_redis->lSize($this->_queue)); // 最大令牌数
$maxnum = intval($this->_max); // 计算最大可加入的令牌数量，不能超过最大令牌数
$num = $maxnum>=$curnum+$num? $num : $maxnum-$curnum; // 加入令牌
if($num>0){ $token = array_fill(0, $num, 1); $this->_redis->lPush($this->_queue, ...$token); return $num;
} return 0;
} /**
* 获取令牌
* @return Boolean
*/
public function get(){
return $this->_redis->rPop($this->_queue)? true : false;
} /**
* 重设令牌桶，填满令牌
*/
public function reset(){
$this->_redis->delete($this->_queue); $this->add($this->_max);
} /**
* 创建redis连接
* @return Link
*/
private function connect(){
try{ $redis = new Redis(); $redis->connect($this->_config['host'],$this->_config['port'],$this->_config['timeout'],$this->_config['reserved'],$this->_config['retry_interval']); if(empty($this->_config['auth'])){ $redis->auth($this->_config['auth']);
} $redis->select($this->_config['index']);
}catch(RedisException $e){ throw new Exception($e->getMessage()); return false;
} return $redis;
}
} // class end?>demo:
<?php/**
* 演示令牌加入与消耗
*/require 'TrafficShaper.class.php';// redis连接设定$config = array( 'host' => 'localhost', 'port' => 6379, 'index' => 0, 'auth' => '', 'timeout' => 1, 'reserved' => NULL, 'retry_interval' => 100,
);// 令牌桶容器$queue = 'mycontainer';// 最大令牌数$max = 5;// 创建TrafficShaper对象$oTrafficShaper = new TrafficShaper($config, $queue, $max);// 重设令牌桶，填满令牌$oTrafficShaper->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; $i++){
var_dump($oTrafficShaper->get());
}// 加入10个令牌，最大令牌为5，因此只能加入5个$add_num = $oTrafficShaper->add(10);
var_dump($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; $i++){
var_dump($oTrafficShaper->get());
}?>輸出：
boolean trueboolean trueboolean trueboolean trueboolean trueboolean falseboolean falseboolean falseint 5boolean trueboolean trueboolean trueboolean trueboolean trueboolean false
定期加入令牌演算法
定期加入令牌，我們可以使用crontab實現，每分鐘調用add方法加入若干令牌。 crontab的使用可以參考：《Linux crontab定時執行任務指令格式與詳細例子》
crontab最小的執行間隔為1分鐘，如果令牌桶內的令牌在前幾秒鐘就已經被消耗完，那麼剩下的幾十秒時間內，都取得不到令牌，導致使用者等待時間較長。
我們可以優化加入令牌的演算法，改為一分鐘內每若干秒加入若干令牌，這樣可以保證一分鐘內每段時間都有機會能取得到令牌。
crontab呼叫的加入令牌程式如下，每秒自動加入3個令牌。
<?php/**
* 定时任务加入令牌
*/require 'TrafficShaper.class.php';// redis连接设定$config = array( 'host' => 'localhost', 'port' => 6379, 'index' => 0, 'auth' => '', 'timeout' => 1, 'reserved' => NULL, 'retry_interval' => 100,
);// 令牌桶容器$queue = 'mycontainer';// 最大令牌数$max = 10;// 每次时间间隔加入的令牌数$token_num = 3;// 时间间隔，最好是能被60整除的数，保证覆盖每一分钟内所有的时间$time_step = 1;// 执行次数$exec_num = (int)(60/$time_step);// 创建TrafficShaper对象$oTrafficShaper = new TrafficShaper($config, $queue, $max);for($i=0; $i<$exec_num; $i++){ $add_num = $oTrafficShaper->add($token_num); echo '['.date('Y-m-d H:i:s').'] add token num:'.$add_num.PHP_EOL;
sleep($time_step);
}?>模擬消耗程式如下，每秒消耗2-8個令牌。
<?php/**
* 模拟用户访问消耗令牌，每段时间间隔消耗若干令牌
*/require 'TrafficShaper.class.php';// redis连接设定$config = array( 'host' => 'localhost', 'port' => 6379, 'index' => 0, 'auth' => '', 'timeout' => 1, 'reserved' => NULL, 'retry_interval' => 100,
);// 令牌桶容器$queue = 'mycontainer';// 最大令牌数$max = 10;// 每次时间间隔随机消耗的令牌数量范围$consume_token_range = array(2, 8);// 时间间隔$time_step = 1;// 创建TrafficShaper对象$oTrafficShaper = new TrafficShaper($config, $queue, $max);// 重设令牌桶，填满令牌$oTrafficShaper->reset();// 执行令牌消耗while(true){ $consume_num = mt_rand($consume_token_range[0], $consume_token_range[1]); for($i=0; $i<$consume_num; $i++){ $status = $oTrafficShaper->get(); echo '['.date('Y-m-d H:i:s').'] consume token:'.($status? 'true' : 'false').PHP_EOL;
}
sleep($time_step);
}?>示範
設定定時任務，每分鐘執行一次
* * * * * php /程序的路径/cron_add.php >> /tmp/cron_add.log
執行模擬消耗
php consume_demo.php
執行結果：
[2018-02-23 11:42:57] consume token:true[2018-02-23 11:42:57] consume token:true[2018-02-23 11:42:57] consume token:true[2018-02-23 11:42:57] consume token:true[2018-02-23 11:42:57] consume token:true[2018-02-23 11:42:57] consume token:true[2018-02-23 11:42:57] consume token:true[2018-02-23 11:42:58] consume token:true[2018-02-23 11:42:58] consume token:true[2018-02-23 11:42:58] consume token:true[2018-02-23 11:42:58] consume token:true[2018-02-23 11:42:58] consume token:true[2018-02-23 11:42:58] consume token:true[2018-02-23 11:42:58] consume token:false[2018-02-23 11:42:59] consume token:true[2018-02-23 11:42:59] consume token:true[2018-02-23 11:42:59] consume token:true[2018-02-23 11:42:59] consume token:false[2018-02-23 11:42:59] consume token:false[2018-02-23 11:42:59] consume token:false[2018-02-23 11:42:59] consume token:false[2018-02-23 11:43:00] consume token:true[2018-02-23 11:43:00] consume token:true[2018-02-23 11:43:00] consume token:true[2018-02-23 11:43:00] consume token:false[2018-02-23 11:43:00] consume token:false
因令牌桶一開始是滿的（最大令牌數10），所以之前的10次都能取得到令牌，10次之後則會根據消耗的令牌大於加入令牌數時，限制存取。
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