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

本文介紹php基於redis，使用令牌桶演算法，實現訪問流量的控制，提供完整演算法說明及示範執行個體，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
區內當前人數為 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，首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，桶記憶體放令牌，一開始令牌桶內的令牌是滿的（桶內令牌的數量可根據伺服器情況設定）。

2.每次訪問從桶內取走一個令牌，當桶內令牌為0，則不允許再訪問。

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的隊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基於Redis使用令牌桶演算法實現流量控制 * Date:    2018-02-23 * Author:  fdipzone * Version: 1.0 * * Descripton: * php基於Redis使用令牌桶演算法實現流量控制，使用redis的隊列作為令牌桶容器，入隊（lPush）出隊（rPop)作為令牌的加入與消耗操作。 * * Func: * public  add     加入令牌 * public  get     擷取令牌 * public  reset   重設令牌桶 * private connect 建立redis串連 */class TrafficShaper{ // class start    private $_config; // redis設定    private $_redis;  // redis對象    private $_queue;  // 令牌桶    private $_max;    // 最大令牌數    /**     * 初始化     * @param Array $config redis串連設定     */    public function __construct($config, $queue, $max){        $this->_config = $config;        $this->_queue = $queue;        $this->_max = $max;        $this->_redis = $this->connect();    }    /**     * 加入令牌     * @param  Int $num 加入的令牌數量     * @return Int 加入的數量     */    public function add($num=0){        // 當前剩餘令牌數        $curnum = intval($this->_redis->lSize($this->_queue));        // 最大令牌數        $maxnum = intval($this->_max);        // 計算最大可加入的令牌數量，不能超過最大令牌數        $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;    }    /**     * 擷取令牌     * @return Boolean     */    public function get(){        return $this->_redis->rPop($this->_queue)? true : false;    }    /**     * 重設令牌桶，填滿令牌     */    public function reset(){        $this->_redis->delete($this->_queue);        $this->add($this->_max);    }    /**     * 建立redis串連     * @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/** * 示範令牌加入與消耗 */require 'TrafficShaper.class.php';// redis串連設定$config = array(    'host' => 'localhost',    'port' => 6379,    'index' => 0,    'auth' => '',    'timeout' => 1,    'reserved' => NULL,    'retry_interval' => 100,);// 令牌桶容器$queue = 'mycontainer';// 最大令牌數$max = 5;// 建立TrafficShaper對象$oTrafficShaper = new TrafficShaper($config, $queue, $max);// 重設令牌桶，填滿令牌$oTrafficShaper->reset();// 迴圈擷取令牌，令牌桶內只有5個令牌，因此最後3次擷取失敗for($i=0; $i<8; $i++){    var_dump($oTrafficShaper->get());}// 加入10個令牌，最大令牌為5，因此只能加入5個$add_num = $oTrafficShaper->add(10);var_dump($add_num);// 迴圈擷取令牌，令牌桶內只有5個令牌，因此最後1次擷取失敗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 命令格式與詳細例子》

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就已經被消耗完，那麼剩下的幾十秒時間內，都擷取不到令牌，導致使用者等待時間較長。

我們可以最佳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擷取到令牌。

crontab調用的加入令牌程式如下，每秒自動加入3個令牌。

<?php/** * 定時任務加入令牌 */require 'TrafficShaper.class.php';// redis串連設定$config = array(    'host' => 'localhost',    'port' => 6379,    'index' => 0,    'auth' => '',    'timeout' => 1,    'reserved' => NULL,    'retry_interval' => 100,);// 令牌桶容器$queue = 'mycontainer';// 最大令牌數$max = 10;// 每次時間間隔加入的令牌數$token_num = 3;// 時間間隔，最好是能被60整除的數，保證覆蓋每一分鐘內所有的時間$time_step = 1;// 執行次數$exec_num = (int)(60/$time_step);// 建立TrafficShaper對象$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);}?>

類比消耗程式如下，每秒消耗2-8個令牌。

<?php/** * 類比使用者訪問消耗令牌，每段時間間隔消耗若干令牌 */require 'TrafficShaper.class.php';// redis串連設定$config = array(    'host' => 'localhost',    'port' => 6379,    'index' => 0,    'auth' => '',    'timeout' => 1,    'reserved' => NULL,    'retry_interval' => 100,);// 令牌桶容器$queue = 'mycontainer';// 最大令牌數$max = 10;// 每次時間間隔隨機消耗的令牌數量範圍$consume_token_range = array(2, 8);// 時間間隔$time_step = 1;// 建立TrafficShaper對象$oTrafficShaper = new TrafficShaper($config, $queue, $max);// 重設令牌桶，填滿令牌$oTrafficShaper->reset();// 執行令牌消耗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 /程式的路徑/cron_add.php >> /tmp/cron_add.log

執行類比消耗

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次都能擷取到令牌，10次之後則會根據消耗的令牌大於加入令牌數時，限制訪問。
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