漏斗限流模型

原文出处：老钱的 Redis 深度历险：核心原理与应用实践

# coding: utf8

import time

class Funnel(object):

    def __init__(self, capacity, leaking_rate):
        self.capacity = capacity  # 漏斗容量
        self.leaking_rate = leaking_rate  # 漏嘴流水速率
        self.left_quota = capacity  # 漏斗剩余空间
        self.leaking_ts = time.time()  # 上一次漏水时间

    def make_space(self):
        now_ts = time.time()
        delta_ts = now_ts - self.leaking_ts  # 距离上一次漏水过去了多久
        delta_quota = delta_ts * self.leaking_rate  # 又可以腾出不少空间了
        if delta_quota < 1:  # 腾的空间太少，那就等下次吧
            return
        self.left_quota += delta_quota  # 增加剩余空间
        self.leaking_ts = now_ts  # 记录漏水时间
        if self.left_quota > self.capacity:  # 剩余空间不得高于容量
            self.left_quota = self.capacity

    def watering(self, quota):
        self.make_space()
        if self.left_quota >= quota:  # 判断剩余空间是否足够
            self.left_quota -= quota
            return True
        return False


funnels = {}  # 所有的漏斗

# capacity  漏斗容量
# leaking_rate 漏嘴流水速率 quota/s
def is_action_allowed(
        user_id, action_key, capacity, leaking_rate):
    key = '%s:%s' % (user_id, action_key)
    funnel = funnels.get(key)
    if not funnel:
        funnel = Funnel(capacity, leaking_rate)
        funnels[key] = funnel
    return funnel.watering(1)


for i in range(20):
    print is_action_allowed('laoqian', 'reply', 15, 0.5)

• 关于思路：
  Funnel 对象的 make_space 方法是漏斗算法的核心，其在每次灌水前都会被调用以触发漏水，给漏斗腾出空间来。能腾出多少空间取决于
  • 过去了多久,以及
  • 流水的速率。
    Funnel 对象占据的空间大小不再和行为的频率成正比，它的空间占用是一个常量。
• 关于代码：
  将 Funnel 对象的内容按字段存储到一个 hash 结构中，灌水的时候将 hash 结构的字段取出来进行逻辑运算后，再将新值回填到 hash 结构中就完成了一次行为频度的检测。
• 存在的问题：
  但是有个问题，我们无法保证整个过程的原子性。从 hash 结构中取值，然后在内存里运算，再回填到 hash 结构，这三个过程无法原子化，意味着需要进行适当的加锁控制。而一旦加锁，就意味着会有加锁失败，加锁失败就需要选择重试或者放弃。
  如果重试的话，就会导致性能下降。如果放弃的话，就会影响用户体验。同时，代码的复杂度也跟着升高很多。这真是个艰难的选择，我们该如何解决这个问题呢？Redis-Cell 救星来了！
• Redis-Cell
  Redis 4.0 提供了一个限流 Redis 模块，它叫 redis-cell。该模块也使用了漏斗算法，并提供了原子的限流指令。有了这个模块，限流问题就非常简单了。
  该模块只有1条指令cl.throttle，它的参数和返回值都略显复杂，接下来让我们来看看这个指令具体该如何使用。

> cl.throttle laoqian:reply 15 30 60 1
                      ▲     ▲  ▲  ▲  ▲
                      |     |  |  |  └───── need 1 quota (可选参数，默认值也是1)
                      |     |  └──┴─────── 30 operations / 60 seconds 这是漏水速率
                      |     └───────────── 15 capacity 这是漏斗容量
                      └─────────────────── key laoqian

在执行限流指令时，如果被拒绝了，就需要丢弃或重试。cl.throttle 指令考虑的非常周到，连重试时间都帮你算好了，直接取返回结果数组的第四个值进行 sleep 即可，如果不想阻塞线程，也可以异步定时任务来重试。