SpringBoot限制接口访问频率 - 这些错误千万不能犯

最近在基于SpringBoot做一个面向普通用户的系统，为了保证系统的稳定性，防止被恶意攻击，我想控制用户访问每个接口的频率。为了实现这个功能，可以设计一个annotation，然后借助AOP在调用方法之前检查当前ip的访问频率，如果超过设定频率，直接返回错误信息。

常见的错误设计

在开始介绍具体实现之前，我先列举几种我在网上找到的几种常见错误设计。

1. 固定窗口

有人设计了一个在每分钟内只允许访问1000次的限流方案，如下图01:00s-02:00s之间只允许访问1000次，这种设计最大的问题在于，请求可能在01:59s-02:00s之间被请求1000次，02:00s-02:01s之间被请求了1000次，这种情况下01:59s-02:01s间隔0.02s之间被请求2000次，很显然这种设计是错误的。

2. 缓存时间更新错误

我在研究这个问题的时候，发现网上有一种很常见的方式来进行限流，思路是基于redis，每次有用户的request进来，就会去以用户的ip和request的url为key去判断访问次数是否超标，如果有就返回错误，否则就把redis中的key对应的value加1，并重新设置key的过期时间为用户指定的访问周期。核心代码如下：

// core logic
int limit = accessLimit.limit();
long sec = accessLimit.sec();
String key = IPUtils.getIpAddr(request) + request.getRequestURI();
Integer maxLimit =null;
Object value =redisService.get(key);
if(value!=null && !value.equals("")) {
    maxLimit = Integer.valueOf(String.valueOf(value));
}
if (maxLimit == null) {
    redisService.set(key, "1", sec);
} else if (maxLimit < limit) {
    Integer i = maxLimit+1;
    redisService.set(key, i.toString(), sec);
} else {
	throw new BusinessException(500,"请求太频繁!");
}

// redis related
    public boolean set(final String key, Object value, Long expireTime) {
        boolean result = false;
        try {
            ValueOperations<Serializable, Object> operations = redisTemplate.opsForValue();
            operations.set(key, value);
            redisTemplate.expire(key, expireTime, TimeUnit.SECONDS);
            result = true;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return result;
    }

这里面很大的问题，就是每次都会更新key的缓存过期时间，这样相当于变相延长了每个计数周期， 可能我们想控制用户一分钟内只能访问5次，但是如果用户在前一分钟只访问了三次，后一分钟访问了三次，在上面的实现里面，很可能在第6次访问的时候返回错误，但这样是有问题的，因为用户确实在两分钟内都没有超过对应的访问频率阈值。

关于key的刷新这块，可以参看redis官方文档，每次refreh都会更新key的过期时间。

基于滑动窗口的正确设计

指定时间T内，只允许发生N次。我们可以将这个指定时间T，看成一个滑动时间窗口（定宽）。我们采用Redis的zset基本数据类型的score来圈出这个滑动时间窗口。在实际操作zset的过程中，我们只需要保留在这个滑动时间窗口以内的数据，其他的数据不处理即可。

比如在上面的例子里面，假设用户的要求是60s内访问频率控制为3次。那么我永远只会统计当前时间往前倒数60s之内的访问次数，随着时间的推移，整个窗口会不断向前移动，窗口外的请求不会计算在内，保证了永远只统计当前60s内的request。

为什么选择Redis zset ？

为了统计固定时间区间内的访问频率，如果是单机程序，可能采用concurrentHashMap就够了，但是如果是分布式的程序，我们需要引入相应的分布式组件来进行计数统计，而Redis zset刚好能够满足我们的需求。

Redis zset（有序集合）中的成员是有序排列的，它和 set 集合的相同之处在于，集合中的每一个成员都是字符串类型，并且不允许重复；而它们最大区别是，有序集合是有序的，set 是无序的，这是因为有序集合中每个成员都会关联一个 double（双精度浮点数）类型的 score (分数值)，Redis 正是通过 score 实现了对集合成员的排序。

Redis 使用以下命令创建一个有序集合：

ZADD key score member [score member ...]

这里面有三个重要参数，

• key：指定一个键名；
• score：分数值，用来描述  member，它是实现排序的关键；
• member：要添加的成员（元素）。

当 key 不存在时，将会创建一个新的有序集合，并把分数/成员（score/member）添加到有序集合中；当 key 存在时，但 key 并非 zset 类型，此时就不能完成添加成员的操作，同时会返回一个错误提示。

在我们这个场景里面，key就是用户ip+request uri，score直接用当前时间的毫秒数表示，至于member不重要，可以也采用和score一样的数值即可。

限流过程是怎么样的？

整个流程如下：

1. 首先用户的请求进来，将用户ip和uri组成key，timestamp为value，放入zset
2. 更新当前key的缓存过期时间，这一步主要是为了定期清理掉冷数据，和上面我提到的常见错误设计2中的意义不同。
3. 删除窗口之外的数据记录。
4. 统计当前窗口中的总记录数。
5. 如果记录数大于阈值，则直接返回错误，否则正常处理用户请求。

基于SpringBoot和AOP的限流

这一部分主要介绍具体的实现逻辑。

定义注解和处理逻辑

首先是定义一个注解，方便后续对不同接口使用不同的限制频率。

/**
 * 接口访问频率注解，默认一分钟只能访问5次
 */
@Documented
@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface RequestLimit {  

    // 限制时间 单位：秒(默认值：一分钟）
    long period() default 60;  

    // 允许请求的次数(默认值：5次）
    long count() default 5;  

}

在实现逻辑这块，我们定义一个切面函数，拦截用户的request，具体实现流程和上面介绍的限流流程一致，主要涉及到redis zset的操作。

@Aspect
@Component
@Log4j2
public class RequestLimitAspect {

    @Autowired
    RedisTemplate redisTemplate;

    // 切点
    @Pointcut("@annotation(requestLimit)")
    public void controllerAspect(RequestLimit requestLimit) {}

    @Around("controllerAspect(requestLimit)")
    public Object doAround(ProceedingJoinPoint joinPoint, RequestLimit requestLimit) throws Throwable {
        // get parameter from annotation
        long period = requestLimit.period();
        long limitCount = requestLimit.count();

        // request info
        String ip = RequestUtil.getClientIpAddress();
        String uri = RequestUtil.getRequestUri();
        String key = "req_limit_".concat(uri).concat(ip);

        ZSetOperations zSetOperations = redisTemplate.opsForZSet();

        // add current timestamp
        long currentMs = System.currentTimeMillis();
        zSetOperations.add(key, currentMs, currentMs);

        // set the expiration time for the code user
        redisTemplate.expire(key, period, TimeUnit.SECONDS);

        // remove the value that out of current window
        zSetOperations.removeRangeByScore(key, 0, currentMs - period * 1000);

        // check all available count
        Long count = zSetOperations.zCard(key);

        if (count > limitCount) {
            log.error("接口拦截：{} 请求超过限制频率【{}次/{}s】,IP为{}", uri, limitCount, period, ip);
            throw new AuroraRuntimeException(ResponseCode.TOO_FREQUENT_VISIT);
        }

        // execute the user request
        return  joinPoint.proceed();
    }

}

使用注解进行限流控制

这里我定义了一个接口类来做测试，使用上面的annotation来完成限流，每分钟允许用户访问3次。

@Log4j2
@RestController
@RequestMapping("/user")
public class UserController {    

    @GetMapping("/test")
    @RequestLimit(count = 3)
    public GenericResponse<String> testRequestLimit() {
        log.info("current time: " + new Date());
        return new GenericResponse<>(ResponseCode.SUCCESS);
    }  

}

我接着在不同机器上，访问该接口，可以看到不同机器的限流是隔离的，并且每台机器在周期之内只能访问三次，超过后，需要等待一定时间才能继续访问，达到了我们预期的效果。

2023-05-21 11:23:15.733  INFO 99636 --- [nio-8080-exec-1] c.v.c.a.api.controller.UserController    : current time: Sun May 21 11:23:15 CST 2023
2023-05-21 11:23:21.848  INFO 99636 --- [nio-8080-exec-3] c.v.c.a.api.controller.UserController    : current time: Sun May 21 11:23:21 CST 2023
2023-05-21 11:23:23.044  INFO 99636 --- [nio-8080-exec-4] c.v.c.a.api.controller.UserController    : current time: Sun May 21 11:23:23 CST 2023
2023-05-21 11:23:25.920 ERROR 99636 --- [nio-8080-exec-5] c.v.c.a.annotation.RequestLimitAspect    : 接口拦截：/user/test 请求超过限制频率【3次/60s】,IP为0:0:0:0:0:0:0:1
2023-05-21 11:23:28.761 ERROR 99636 --- [nio-8080-exec-6] c.v.c.a.annotation.RequestLimitAspect    : 接口拦截：/user/test 请求超过限制频率【3次/60s】,IP为0:0:0:0:0:0:0:1
2023-05-21 11:24:12.207  INFO 99636 --- [io-8080-exec-10] c.v.c.a.api.controller.UserController    : current time: Sun May 21 11:24:12 CST 2023
2023-05-21 11:24:19.100  INFO 99636 --- [nio-8080-exec-2] c.v.c.a.api.controller.UserController    : current time: Sun May 21 11:24:19 CST 2023
2023-05-21 11:24:20.117  INFO 99636 --- [nio-8080-exec-1] c.v.c.a.api.controller.UserController    : current time: Sun May 21 11:24:20 CST 2023
2023-05-21 11:24:21.146 ERROR 99636 --- [nio-8080-exec-3] c.v.c.a.annotation.RequestLimitAspect    : 接口拦截：/user/test 请求超过限制频率【3次/60s】,IP为192.168.31.114
2023-05-21 11:24:26.779 ERROR 99636 --- [nio-8080-exec-4] c.v.c.a.annotation.RequestLimitAspect    : 接口拦截：/user/test 请求超过限制频率【3次/60s】,IP为192.168.31.114
2023-05-21 11:24:29.344 ERROR 99636 --- [nio-8080-exec-5] c.v.c.a.annotation.RequestLimitAspect    : 接口拦截：/user/test 请求超过限制频率【3次/60s】,IP为192.168.31.114

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