68. redis计数与限流中incr+expire的坑以及解决办法(Lua+TTL)

一、简介

在日常工作中，经常会遇到对某种操作进行频次控制或者统计次数的需求，此时常用的做法是采用redis的incr来递增,记录访问次数, 以及 expire 来设置失效时间。本文将以一个实际的例子来说明incr存在的一个"坑"，以及给出解决方案。

有这么一个场景，用户需要进行ocr识别，为了防止接口被刷，这里面做了一个限制(每分钟调用次数不能超过xx次)。 经过调研后，决定使用redis的incr和expire来实现这个功能

二、代码演进

第一版代码（存在bug隐患）

// 执行ocr调用
func (o *ocrSvc)doOcr(ctx context.Context,uid int)(interface,err){
	// 如果调用次数超过了指定限制，就直接拒绝此次请求
	ok,err := o.checkMinute(uid)
	if err != nil {
		return nil,err
	}
	if !ok {
		return nil,errors.News("frequently called")
	}
	// 执行第三方ocr调用(伪代码：模拟一个rpc接口)
	ocrRes,err := doOcrByThird()
	if err != nil {
		return nil,err
	}
	// 调用成功则执行 incr操作
	if err := o.redis.Incr(ctx,buildUserOcrCountKey(uid));err!=nil{
	   return nil,err
	}
	return ocrRes,nil
}
 
// 校验每分钟调用次数是否超过限制
func (o *ocrSvc)checkMinute (ctx context.Context,uid int) (bool, error) {
	minuteCount, err := o.redis.Get(ctx, buildUserOcrCountKey(uid))
	if err != nil && !errors.Is(err, eredis.Nil) {
		log.Error("checkMinute: redis.Get failed", zap.Error(err))
		return false, constx.ErrServer
	}
	if errors.Is(err, eredis.Nil) {
		// 过期了，或者没有该用户的调用次数记录(设置初始值为0，过期时间为1分钟)
		o.redis.Set(ctx, buildUserOcrCountKey(uid),0,time.Minute)
		return true, nil
	}
	// 已经超过每分钟的调用次数
	if cast.ToInt(minuteCount) >= config.UserOcrMinuteCount() {
		log.Warn("checkMinute: user FrequentlyCalled", zap.Int64("uid", uid), zap.String("minuteCount", minuteCount))
		return false, nil
	}
	return true, nil
}

详解
这一版代码存在什么问题呢？问题出在了 开始判断没有超出限制，然后执行第三方rpc接口调用也成功了，接下来直接进行计数加一（incr）操作有问题，如下图所示

说明：

1. 假设当前用户在进行ocr识别时，未超过调用次数。但是在redis中的ttl还剩1秒钟
2. 然后调用第三方ocr进行识别,加入耗时超过了1秒
3. 识别成功后，调用次数+1。这里就很有可能出问题，比如：在incr的时候刚好该key在1s前过期了，那么redis是怎么做的呢，它会将该key的值设置为1，ttl设置为-1，ttl设置为-1，ttl设置为-1（重要的事情说三遍）,-1表示没有过期时间
4. 这时候bug就出现了，用户的调用次数一直在涨，并且也不会过期，达到临界值时用户的请求就会被拒掉，相当于该用户之后都不能访问这个接口了，并且这种key变多后，由于没有过期时间，还会一直占用redis的内存。

总结
以上代码说明了一个问题，也就是incr和expire必须具备原子性。而我们第一版代码显然在边界条件下是不满足要求的，极有可能造成bug，影响用户体验，强烈不推荐使用，接下来一步一步引入修正后的代码

第二版代码（几乎无隐患）

从对第一版代码的分析可知，是由于查询次数还没有达到限制后，又进行了一些rpc调用，或者处理了一些其他业务逻辑，这个时间内，可能key过期了，然后我们直接使用incr进行计数加一，导致了永不过期的key产生。那么我们是不是可以在incr前先保证key还没有过期就行呢？答案是可以的，代码如下：

// 执行ocr调用
func (o *ocrSvc)doOcr(ctx context.Context,uid int)(interface,err){
	// 如果调用次数超过了指定限制，就直接拒绝此次请求
	ok,err := o.checkMinute(uid)
	if err != nil {
		return nil,err
	}
	if !ok {
		return nil,errors.News("frequently called")
	}
	// 执行第三方ocr调用(伪代码：模拟一个rpc接口)
	ocrRes,err := doOcrByThird()
	if err != nil {
		return nil,err
	}
	
	// 调用成功则执行 incr操作
	exists, err := o.redis.Exists(ctx, buildUserOcrCountKey(uid)).Result()
	if err != nil {
		log.Error("doOcr: redis.Exists failed", zap.Error(err))
		return nil, err
	}
	if exists == 1 { // key存在，计数加1
		if err := o.redis.Incr(ctx,buildUserOcrCountKey(uid));err!=nil{
	    return nil,err
	}
	} else { // key不存在，设置key与过期时间
		if err := o.redis.Set(ctx,buildUserOcrCountKey(uid),1,expireTime);err!=nil{
		   return nil,err
		}
	}
	return ocrRes,nil
}
 
// 校验每分钟调用次数是否超过限制
func (o *ocrSvc)checkMinute (ctx context.Context,uid int) (bool, error) {
	minuteCount, err := o.redis.Get(ctx, buildUserOcrCountKey(uid))
	if err != nil && !errors.Is(err, eredis.Nil) {
		log.Error("checkMinute: redis.Get failed", zap.Error(err))
		return false, constx.ErrServer
	}
	if errors.Is(err, eredis.Nil) {
		// 过期了，或者没有该用户的调用次数记录(设置初始值为0，过期时间为1分钟)
		o.redis.Set(ctx, buildUserOcrCountKey(uid),0,time.Minute)
		return true, nil
	}
	// 已经超过每分钟的调用次数
	if cast.ToInt(minuteCount) >= config.UserOcrMinuteCount() {
		log.Warn("checkMinute: user FrequentlyCalled", zap.Int64("uid", uid), zap.String("minuteCount", minuteCount))
		return false, nil
	}
	return true, nil
}

与第一版的差异主要在于如下代码：

• 在需要incr操作前，我们先查看key是否存在（且没有过期）
  • 确保存在后，立即incr(这两步间隔几乎可以忽略，所以几乎可以避免第一版中的问题）
  • 如果不存在则设置key并设置过期时间。

注：redis中的incr命令是不会改变key的过期时间的

// 调用成功则执行 incr操作
	exists, err := o.redis.Exists(ctx, buildUserOcrCountKey(uid)).Result()
	if err != nil {
		log.Error("doOcr: redis.Exists failed", zap.Error(err))
		return nil, err
	}
	if exists == 1 { // key存在，计数加1
		if err := o.redis.Incr(ctx,buildUserOcrCountKey(uid));err!=nil{
	    return nil,err
	}
	} else { // key不存在，设置key与过期时间
		if err := o.redis.Set(ctx,buildUserOcrCountKey(uid),1,expireTime);err!=nil{
		   return nil,err
		}
	}

还有一种方式是查看key的过期时间,使用ttl，这样即使在极端情况下通过incr设置出了没有过期时间的key，也会在第二次访问的时候通过Set设置过期时间了。

注：ttl命令返回值是键的剩余时间（单位是秒）。当键不存在时，ttl命令会返回-2。没有为键设置过期时间（即永久存在，这是建立一个键后的默认情况）返回-1。

// 调用成功则执行 incr操作
	cnt, err := o.redis.Ttl(ctx, buildUserOcrCountKey(uid)).Result()
	if err != nil {
		log.Error("doOcr: redis.Ttl failed", zap.Error(err))
		return nil, err
	}
	if cnt >= 1 { // key存在,且还没有过期
		if err := o.redis.Incr(ctx,buildUserOcrCountKey(uid));err!=nil{
	    return nil,err
	}
	} else { // key马上过期0，key没有过期时间-1， key不存在-2
		if err := o.redis.Set(ctx,buildUserOcrCountKey(uid),1,expireTime);err!=nil{
		   return nil,err
		}
	}

第三版代码(完美无瑕）

第二版代码中的两种方式其实已经可以在工作中使用了，但如果追求完美无瑕的话，ttl版本的代码在极端情况下还是有点瑕疵，比如极端情况下，key过期时间还有1s过期，然后我们用incr去累加，但是网络延迟了，导致命令到达redis服务器的时候，key已经过期了，尽管第二次访问会用set重置key并设置过期时间，但是万一该用户再也不来访问了呢？这时候这个key就会永远占据着内存了。

将incr+expire放在lua脚本中执行保证原子性是最完美的。废话不多说了，直接上代码

// 执行ocr调用
func (o *ocrSvc)doOcr(ctx context.Context,uid int)(interface,err){
	// 如果调用次数超过了指定限制，就直接拒绝此次请求
	ok,err := o.checkMinute(uid)
	if err != nil {
		return nil,err
	}
	if !ok {
		return nil,errors.News("frequently called")
	}
	// 执行第三方ocr调用((伪代码：模拟一个rpc接口))
	ocrRes,err := doOcrByThird()
	if err != nil {
		return nil,err
	}
	// 调用成功则执行 incr操作
	if err := o.incrCount(ctx,buildUserOcrCountKey(uid));err!=nil{
	   return nil,err
	}
	return ocrRes,nil
}
 
func (o *ocrSvc) incrCount(ctx context.Context, uid int64) error {
   /*
   此段lua脚本的作用:
     第一步，先执行incr操作
     local current = redis.call('incr',KEYS[1])
     第二步，看下该key的ttl
     local t = redis.call('ttl',KEYS[1]); 
     第三步，如果ttl为-1(永不过期)
     if t == -1 then
         则重新设置过期时间为 「一分钟」
		 redis.call('expire',KEYS[1],ARGV[1])
	 end;
   */
	script := redis.NewScript(
		`local current = redis.call('incr',KEYS[1]);
		 local t = redis.call('ttl',KEYS[1]); 
		 if t == -1 then
		 	redis.call('expire',KEYS[1],ARGV[1])
		 end;
		 return current
	`)
	var (
		expireTime = 60 // 60 秒
	)
	_, err := script.Run(ctx, b.redis.Client(), []string{buildUserOcrCountKey(uid)}, expireTime).Result()
	if err != nil {
		return err
	}
	return nil
}
 
// 校验每分钟调用次数是否超过
func (o *ocrSvc)checkMinute (ctx context.Context,uid int) (bool, error) {
	minuteCount, err := o.redis.Get(ctx, buildUserOcrCountKey(uid))
	if err != nil && !errors.Is(err, eredis.Nil) {
		elog.Error("checkMinute: redis.Get failed", zap.Error(err))
		return false, constx.ErrServer
	}
	if errors.Is(err, eredis.Nil) {
	    // 第二版代码中在check时不进行初始化操作
		// 过期了，或者没有该用户的调用次数记录(设置初始值为0，过期时间为1分钟)
		// o.redis.Set(ctx, buildUserOcrCountKey(uid),0,time.Minute)
		return true, nil
	}
	// 已经超过每分钟的调用次数
	if cast.ToInt(minuteCount) >= config.UserOcrMinuteCount() {
		elog.Warn("checkMinute: user FrequentlyCalled", zap.Int64("uid", uid), zap.String("minuteCount", minuteCount))
		return false, nil
	}
	return true, nil
}