面试题：Redis滑动窗口限流中有序集合的基本操作及原理

Question

在Redis滑动窗口限流场景下，有序集合（Sorted Set）通常用于记录请求的时间戳等信息。请阐述有序集合在这种场景下常用的操作，如添加元素、获取元素范围等，并且说明这些操作是如何辅助实现滑动窗口限流的原理。

Answer 1

添加元素

在Redis中，使用ZADD命令向有序集合添加元素。例如，当一个请求到达时，将当前时间戳作为分数，一个唯一标识（如请求ID）作为成员添加到有序集合中。示例代码如下（以Python的redis-py库为例）：

import redis

r = redis.Redis(host='localhost', port=6379, db=0)
current_timestamp = r.time()[0]  # 获取当前时间戳
request_id = 'request_1'
r.zadd('request_timestamps', {request_id: current_timestamp})

获取元素范围

1. 根据分数范围获取元素：使用ZRANGEBYSCORE命令获取指定分数（时间戳）范围内的元素。例如，要获取滑动窗口内的所有请求，即获取当前时间往前一段时间内的请求。假设滑动窗口时间为60秒，当前时间为now，则获取now - 60到now时间范围内的请求。示例代码如下：

current_timestamp = r.time()[0]
start_time = current_timestamp - 60
requests_in_window = r.zrangebyscore('request_timestamps', start_time, current_timestamp)

2. 根据排名范围获取元素：在某些情况下，也可能会根据排名获取元素，如ZRANGE命令获取排名在一定范围内的元素。不过在滑动窗口限流场景中，按分数范围获取更常用。

辅助实现滑动窗口限流的原理

1. 统计请求数量：通过获取滑动窗口内的元素数量（即len(requests_in_window)），可以知道在该时间段内的请求次数。如果请求次数超过设定的限流阈值，则拒绝后续请求，实现限流。
2. 窗口滑动：随着时间推移，新的请求不断进入，旧的请求超出滑动窗口范围。每次获取元素范围时，都是基于当前时间动态计算滑动窗口的起始时间，从而实现窗口的滑动。当新请求到来添加元素时，也不断更新有序集合中的数据，保证有序集合始终记录着最新的请求时间信息，为滑动窗口限流提供准确的数据支持。