面试题：缓存设计之中等难度：API限流与降级方案中的缓存策略

Question

在基于缓存的API限流与降级方案设计中，假设我们使用Redis作为缓存，描述一种你会采用的缓存策略来实现限流，包括如何设置缓存的键值对以及过期时间等，并且说明这种策略在高并发场景下的优势和可能存在的问题。

Answer 1

缓存策略实现限流

1. 键值对设置：
   • 键：可以使用API的唯一标识（如API路径、方法等组合）作为Redis的键。例如，对于一个GET请求的 /user/profile API，键可以设置为 api_limit:GET:/user/profile。
   • 值：值可以是一个计数器。每次请求到达时，对该计数器进行原子性的递增操作。
2. 过期时间设置：
   • 过期时间设置为限流的时间窗口。比如，限制每分钟最多100次请求，那么过期时间就设置为60秒。在过期时间内，通过计数器的值与限制的请求次数比较来判断是否限流。当过期时间到达后，计数器自动重置，开始新的时间窗口计数。

高并发场景下的优势

1. 原子性操作：Redis支持原子性的递增操作（如 INCR 命令），在高并发场景下，多个请求同时尝试递增计数器时，不会出现竞争条件导致计数不准确的问题，保证了限流的准确性。
2. 分布式特性：Redis天然支持分布式部署，适用于分布式系统中的API限流。多个服务实例可以共享同一个Redis缓存来进行限流，避免了在每个服务实例上单独实现限流可能带来的不一致问题。
3. 性能高效：Redis基于内存存储，读写速度非常快，能够快速处理高并发的请求计数操作，不会因为限流逻辑而成为系统性能瓶颈。

可能存在的问题

1. 缓存雪崩：如果大量API的缓存过期时间设置相同，在同一时刻缓存同时失效，可能会导致大量请求同时绕过限流，压垮后端服务。可以通过给过期时间加上一个随机偏移量来避免这种情况。
2. 缓存穿透：如果恶意请求使用不存在的API标识来绕过限流，由于Redis中不存在对应的键，每次请求都不会命中缓存，从而绕过限流。可以通过在缓存中设置一个特殊标识（如 -1）来标记不存在的API标识，防止缓存穿透。
3. 数据一致性问题：虽然Redis的原子操作保证了计数准确，但如果Redis与后端服务之间的数据同步出现问题，可能会导致实际限流效果与预期不一致。例如，Redis计数达到限流值，但后端服务没有及时感知到限流，仍然处理请求。需要通过合理的重试机制和监控来解决此类问题。