面试题：Redis消息发送流量控制策略之令牌桶算法实现

Question

在Redis消息发送场景下，假设使用令牌桶算法进行流量控制。请阐述令牌桶算法的基本原理，并简要说明如何在Redis中利用数据结构和命令来模拟实现令牌桶算法对消息发送速率的控制。

Answer 1

令牌桶算法基本原理

1. 令牌生成：系统以固定速率生成令牌，并放入令牌桶中。例如，每100毫秒生成1个令牌。
2. 令牌存储：令牌桶有一个固定容量，当令牌桶满时，新生成的令牌会被丢弃。假设令牌桶容量为100个令牌。
3. 请求处理：当有请求（如消息发送请求）到来时，尝试从令牌桶中获取令牌。如果桶中有足够令牌，则请求可以通过并执行相应操作（如发送消息），同时从桶中移除相应数量的令牌；如果桶中令牌不足，则请求被限流，通常需要等待或直接拒绝。

在Redis中模拟实现令牌桶算法控制消息发送速率

1. 数据结构选择：
   • 使用Redis的zset（有序集合）来记录每次生成令牌的时间戳以及对应的令牌数量。zset的成员可以是时间戳，分值可以是生成的令牌数。
   • 使用Redis的string类型记录当前令牌桶中的令牌总数。
2. 实现步骤：
   • 生成令牌：
     • 定期任务（如通过定时脚本）按照固定速率生成令牌。每次生成令牌时，获取当前时间戳now，将其作为zset的成员，生成的令牌数量作为分值，添加到zset中。例如，使用ZADD <zset_key> <score> <member>命令，score为生成的令牌数，member为now。
     • 同时，将新生成的令牌数累加到记录当前令牌总数的string类型键的值上，使用INCRBY <total_tokens_key> <new_tokens>命令。
   • 消息发送时获取令牌：
     • 先计算从上次生成令牌到当前时间新生成的令牌数量。通过ZRANGEBYSCORE <zset_key> -inf <now>获取从开始到当前时间所有生成令牌的记录，计算这些记录的分值总和，得到这段时间新生成的令牌数。
     • 用当前令牌总数加上新生成的令牌数，更新当前令牌总数记录（string类型键的值）。
     • 当有消息发送请求时，检查当前令牌总数是否足够。如果足够，从当前令牌总数中减去发送消息所需的令牌数（如1个令牌），使用DECRBY <total_tokens_key> <tokens_needed>，然后允许消息发送；如果不足，则拒绝消息发送。