php 基於redis使用令牌桶演算法實現流量控制

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 時，可允許進入
系統在運行過程中，如遇上某些活動，訪問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[&#39;host&#39;],$this->_config[&#39;port&#39;],$this->_config[&#39;timeout&#39;],$this->_config[&#39;reserved&#39;],$this->_config[&#39;retry_interval&#39;]);            if(empty($this->_config[&#39;auth&#39;])){                $redis->auth($this->_config[&#39;auth&#39;]);
            }            $redis->select($this->_config[&#39;index&#39;]);
        }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 &#39;TrafficShaper.class.php&#39;;// redis连接设定$config = array(    &#39;host&#39; => &#39;localhost&#39;,    &#39;port&#39; => 6379,    &#39;index&#39; => 0,    &#39;auth&#39; => &#39;&#39;,    &#39;timeout&#39; => 1,    &#39;reserved&#39; => NULL,    &#39;retry_interval&#39; => 100,
);// 令牌桶容器$queue = &#39;mycontainer&#39;;// 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，每分鐘呼叫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 &#39;TrafficShaper.class.php&#39;;// redis连接设定$config = array(    &#39;host&#39; => 'localhost',    'port' => 6379,    'index' => 0,    'auth' => '',    'timeout' => 1,    'reserved' => NULL,    'retry_interval' => 100,
);// 令牌桶容器$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; $iadd($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 &#39;TrafficShaper.class.php&#39;;// redis连接设定$config = array(    &#39;host&#39; => 'localhost',    'port' => 6379,    'index' => 0,    'auth' => '',    'timeout' => 1,    'reserved' => NULL,    'retry_interval' => 100,
);// 令牌桶容器$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; $iget();        echo '['.date('Y-m-d H:i:s').'] consume token:'.($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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