高可用对于一个应用和API接口是至关重要的。如果我们提供一个接口，突然面临流量爆发式增长，对于这种情况，不仅会影响网站的访问速度，甚至可能会导致服务器崩溃，使得所有用户都无法正常访问。
对于这种情况，有的同学认为：“我们可以通过提高配置或者增加机器去解决这样的问题”。这在某些情况下，确实是一种选择。然而当我们使用一个接口或应用时，我们不仅需要通过技术手段(幂等性、熔断等)去提高它们的稳定性，同时也确保因为其他突发原因(如新同事编写的代码导致意外的发生等)带来的问题。
以下几种情况，频率限制可以帮助我们更好的确保API的可用性：
用户使用脚本，向我们发送了大量的请求。
用户向我们发送了许多低优先级接口数据的请求，而我们希望这些低优先级的请求尽量不影响我们高优先级接口请求(如电商，必须保证下单流程是正常的，其他的接口优先级自然低于下单流程相关的接口)。
因突然原因，无法同时正常访问所有接口，因此需要临时丢弃优先级低的请求(当然Nginx层面也是可以实现的)。
令牌桶介绍
令牌桶算法的原理是系统会以一个恒定的速度往桶(bucket)放入令牌(token)，而如果请求需要被处理，则需要先从桶里获取一个令牌，当桶里没有令牌可取时，则拒绝服务(denial of service)。
特点：
当bucket满的时候，将不再放入token，也就是token数量不会超过bucket最大容量。
由于token在一段时间内是有限的，所以即使发生突然流量，也能很好的保护服务。
实现方式
对于令牌桶的实现，一般常用的有两种：
第一种
后台启动一个线程，按照一定的时间颗粒度，不断的往固定大小的桶(bucket)增加令牌(token)，直到达到桶的最大容量。
这种做法不仅实现稍微繁琐一点，需要额外维护一个脚本；而且在没有请求的情况下，线程也会不断的去检查更新token，如果key比较多的情况下，对CPU会有较大的性能影响。
第二种(本文案例)
每次访问，将本次访问的时间和速率存入redis，并在下次新的请求访问时，对比当前时间和上次请求时间两个时间差之间的可使用token数量，并将新的结果存入redis。
代码实现
initNum 桶初始大小
expire单位时间
nowTime 当前访问的时间
limitData[‘time’] 上次请求的时间
namespace app\components;
use yii\base\Component;
class RateLimiter extends Component
{
public $redis = null;
public $cacheKey = null;
// number of visits per minute by a single user
// 单位时间下，单个用户访问的次数
public $initNum = 30;
// unit time
// 单位时间
public $expire = 60;
/
* RateLimiter constructor.
* @param string $initNum
* @param string $expire
*/
public function __construct($cacheKey = ”, $initNum = ”, $expire = ”)
{
if (empty($cacheKey)) {
return false;
}
$this->redis = \Yii::$app->redis;
$this->initNum = $initNum ?? $this->initNum;
$this->expire = $expire ?? $this->expire;
$this->cacheKey = $cacheKey;
}
/
* handler
* @return array
*/
public function handler()
{
$ret = self::_limit($this->cacheKey, $this->initNum, $this->expire);
if (empty($ret[‘status’])) {
return false;
}
return true;
}
private function _limit($cacheKey = ”, $initNum = ”, $expire = ”)
{
$nowTime = time();
$this->redis->watch($cacheKey);
$redisData = $this->redis->get($cacheKey);
$limitData = $redisData ? json_decode($redisData, true) : [‘num’ => $initNum, ‘time’ => $nowTime];
// (单位时间访问频率 / 单位时间)*(当前时间 – 上次访问时间) = 上次请求至今可增加的访问次数
$addNum = ($initNum / $expire) * ($nowTime – $limitData[‘time’]);
$newNum = min($initNum, (($limitData[‘num’] – 1) + $addNum));
if ($newNum <= 0) {
return [‘status’ => false, ‘msg’ => ‘当前时刻令牌用完啦！’];
}
$limitData = json_encode([‘num’ => $newNum, ‘time’ => $nowTime]);
$this->redis->multi();
$this->redis->set($cacheKey, $limitData);
if (!$this->redis->exec()) {
return [‘status’ => false, ‘msg’ => ‘访问频次过多！’];
}
return [‘status’ => true, ‘msg’ => ‘ok’];
}
}
总结
令牌桶频率限制是API接口设计中重要的安全策略之一，但是对于不同的业务和场景都应该使用最适合的方法(如登录密码错误，一天只能尝试五次，这种情况计数器限频就是更好的选择了)，万事并无绝对。
参考
https://medium.com/smyte/rate-limiter-df
https://stripe.com/en-hk/blog/rate-limiters
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