限流的4种方式

正文

限流

限流是对某一时间窗口内的请求数进行限制，保持系统的可用性和稳定性，防止因流量暴增而导致的系统运行缓慢或宕机。常用的限流算法有令牌桶和和漏桶，而Google开源项目Guava中的RateLimiter使用的就是令牌桶控制算法。

在开发高并发系统时有三把利器用来保护系统：缓存、降级和限流缓存：缓存的目的是提升系统访问速度和增大系统处理容量

降级：降级是当服务器压力剧增的情况下，根据当前业务情况及流量对一些服务和页面有策略的降级，以此释放服务器资源以保证核心任务的正常运行

限流：限流的目的是通过对并发访问/请求进行限速，或者对一个时间窗口内的请求进行限速来保护系统，一旦达到限制速率则可以拒绝服务、排队或等待、降级等处理

我们经常在调别人的接口的时候会发现有限制，比如微信公众平台接口、百度API Store、聚合API等等这样的，对方会限制每天最多调多少次或者每分钟最多调多少次

我们自己在开发系统的时候也需要考虑到这些，比如我们公司在上传商品的时候就做了限流，因为用户每一次上传商品，我们需要将商品数据同到到美团、饿了么、京东、百度、自营等第三方平台，这个工作量是巨大，频繁操作会拖慢系统，故做限流。

以上都是题外话，接下来我们重点看一下令牌桶算法

令牌桶算法

下面是从网上找的两张图来描述令牌桶算法：

RateLimiter

RateLimiter的代码不长，注释加代码432行，看一下RateLimiter怎么用

1 package com.cjs.example;

2

3 import com.google.common.util.concurrent.RateLimiter;

4 import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;

5 import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

6

7 import java.text.SimpleDateFormat;

8 import java.util.Date;

9

10 @RestController

11 public class HelloController {

12

13 private static final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");

14

15 private static final RateLimiter rateLimiter = RateLimiter.create(2);

16

17 /**

18 * tryAcquire尝试获取permit，默认超时时间是0，意思是拿不到就立即返回false

19 */

20 @RequestMapping("/sayHello")

21 public String sayHello() {

22 if (rateLimiter.tryAcquire()) { // 一次拿1个

23 System.out.println(sdf.format(new Date()));

24 try {

25 Thread.sleep(500);

26 } catch (InterruptedException e) {

27 e.printStackTrace();

28 }

29 }else {

30 System.out.println("limit");

31 }

32 return "hello";

33 }

34

35 /**

36 * acquire拿不到就等待，拿到为止

37 */

38 @RequestMapping("/sayHi")

39 public String sayHi() {

40 rateLimiter.acquire(5); // 一次拿5个

41 System.out.println(sdf.format(new Date()));

42 return "hi";

43 }

44

45 }

关于RateLimiter：A rate limiter。每个acquire()方法如果必要的话会阻塞直到一个permit可用，然后消费它。获得permit以后不需要释放。

RateLimiter在并发环境下使用是安全的：它将限制所有线程调用的总速率。注意，它不保证公平调用。

RateLimiter在并发环境下使用是安全的：它将限制所有线程调用的总速率。注意，它不保证公平调用。Rate limiter(直译为：速度限制器)经常被用来限制一些物理或者逻辑资源的访问速率。这和java.util.concurrent.Semaphore正好形成对照。

一个RateLimiter主要定义了发放permits的速率。如果没有额外的配置，permits将以固定的速度分配，单位是每秒多少permits。默认情况下，Permits将会被稳定的平缓的发放。

可以配置一个RateLimiter有一个预热期，在此期间permits的发放速度每秒稳步增长直到到达稳定的速率

基本用法：

final RateLimiter rateLimiter = RateLimiter.create(2.0); // rate is "2 permits per second"

void submitTasks(List tasks, Executor executor) {

for (Runnable task : tasks) {

rateLimiter.acquire(); // may wait

executor.execute(task);

}

}

实现

SmoothBursty以稳定的速度生成permit

SmoothWarmingUp是渐进式的生成，最终达到最大值趋于稳定

源码片段解读：

public abstract class RateLimiter {

/**

* 用给定的吞吐量(“permits per second”)创建一个RateLimiter。

* 通常是QPS

*/

public static RateLimiter create(double permitsPerSecond) {

return create(permitsPerSecond, SleepingStopwatch.createFromSystemTimer());

}

static RateLimiter create(double permitsPerSecond, SleepingStopwatch stopwatch) {

RateLimiter rateLimiter = new SmoothBursty(stopwatch, 1.0 /* maxBurstSeconds */);

rateLimiter.setRate(permitsPerSecond);

return rateLimiter;

}

/**

* 用给定的吞吐量(QPS)和一个预热期创建一个RateLimiter

*/

public static RateLimiter create(double permitsPerSecond, long warmupPeriod, TimeUnit unit) {

checkArgument(warmupPeriod >= 0, "warmupPeriod must not be negative: %s", warmupPeriod);

return create(permitsPerSecond, warmupPeriod, unit, 3.0, SleepingStopwatch.createFromSystemTimer());

}

static RateLimiter create(

double permitsPerSecond,

long warmupPeriod,

TimeUnit unit,

double coldFactor,

SleepingStopwatch stopwatch) {

RateLimiter rateLimiter = new SmoothWarmingUp(stopwatch, warmupPeriod, unit, coldFactor);

rateLimiter.setRate(permitsPerSecond);

return rateLimiter;

}

private final SleepingStopwatch stopwatch;

// 锁

private volatile Object mutexDoNotUseDirectly;

private Object mutex() {

Object mutex = mutexDoNotUseDirectly;

if (mutex == null) {

synchronized (this) {

mutex = mutexDoNotUseDirectly;

if (mutex == null) {

mutexDoNotUseDirectly = mutex = new Object();

}

}

}

return mutex;

}

/**

* 从RateLimiter中获取一个permit，阻塞直到请求可以获得为止

* @return 休眠的时间，单位是秒，如果没有被限制则是0.0

*/

public double acquire() {

return acquire(1);

}

/**

* 从RateLimiter中获取指定数量的permits，阻塞直到请求可以获得为止

*/

public double acquire(int permits) {

long microsToWait = reserve(permits);

stopwatch.sleepMicrosUninterruptibly(microsToWait);

return 1.0 * microsToWait / SECONDS.toMicros(1L);

}

/**

* 预定给定数量的permits以备将来使用

* 直到这些预定数量的permits可以被消费则返回逝去的微秒数

*/

final long reserve(int permits) {

checkPermits(permits);

synchronized (mutex()) {

return reserveAndGetWaitLength(permits, stopwatch.readMicros());

}

}

private static void checkPermits(int permits) {

checkArgument(permits > 0, "Requested permits (%s) must be positive", permits);

}

final long reserveAndGetWaitLength(int permits, long nowMicros) {

long momentAvailable = reserveEarliestAvailable(permits, nowMicros);

return max(momentAvailable - nowMicros, 0);

}

}

abstract class SmoothRateLimiter extends RateLimiter {

/** The currently stored permits. */

double storedPermits;

/** The maximum number of stored permits. */

double maxPermits;

/**

* The interval between two unit requests, at our stable rate. E.g., a stable rate of 5 permits

* per second has a stable interval of 200ms.

*/

double stableIntervalMicros;

/**

* The time when the next request (no matter its size) will be granted. After granting a request,

* this is pushed further in the future. Large requests push this further than small requests.

*/

private long nextFreeTicketMicros = 0L; // could be either in the past or future

final long reserveEarliestAvailable(int requiredPermits, long nowMicros) {

resync(nowMicros);

long returnValue = nextFreeTicketMicros;

double storedPermitsToSpend = min(requiredPermits, this.storedPermits); // 本次可以获取到的permit数量

double freshPermits = requiredPermits - storedPermitsToSpend; // 差值，如果存储的permit大于本次需要的permit数量则此处是0，否则是一个正数

long waitMicros =

storedPermitsToWaitTime(this.storedPermits, storedPermitsToSpend)

+ (long) (freshPermits * stableIntervalMicros); // 计算需要等待的时间(微秒)

this.nextFreeTicketMicros = LongMath.saturatedAdd(nextFreeTicketMicros, waitMicros);

this.storedPermits -= storedPermitsToSpend; // 减去本次消费的permit数

return returnValue;

}

void resync(long nowMicros) {

// if nextFreeTicket is in the past, resync to now

if (nowMicros > nextFreeTicketMicros) { // 表示当前可以获得permit

double newPermits = (nowMicros - nextFreeTicketMicros) / coolDownIntervalMicros(); // 计算这段时间可以生成多少个permit

storedPermits = min(maxPermits, storedPermits + newPermits); // 如果超过maxPermit，则取maxPermit，否则取存储的permit+新生成的permit

nextFreeTicketMicros = nowMicros; // 设置下一次可以获得permit的时间点为当前时间

}

}

}

RateLimiter实现的令牌桶算法，不仅可以应对正常流量的限速，而且可以处理突发暴增的请求，实现平滑限流。

通过代码，我们可以看到它可以预消费，怎么讲呢

nextFreeTicketMicros表示下一次请求获得permits的最早时间。每次授权一个请求以后，这个值会向后推移(PS：想象一下时间轴)即向未来推移。因此，大的请求会比小的请求推得更。这里的大小指的是获取permit的数量。这个应该很好理解，因为上一次请求获取的permit数越多，那么下一次再获取授权时更待的时候会更长，反之，如果上一次获取的少，那么时间向后推移的就少，下一次获得许可的时间更短。可见，都是有代价的。正所谓：要浪漫就要付出代价。

还要注意到一点，就是获取令牌和处理请求是两个动作，而且，并不是每一次都获取一个，也不要想当然的认为一个请求获取一个permit(或者叫令牌)，可以再看看前面那幅图

Stopwatch

一个以纳秒为单位度量流逝时间的对象。它是一个相对时间，而不是绝对时间。Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();

System.out.println("hahah");

stopwatch.stop();

Duration duration = stopwatch.elapsed();

System.out.println(stopwatch);

Semaphore(信号量)A counting semaphore. Conceptually, a semaphore maintains a set of permits. Each acquire() blocks if necessary until a permit is available, and then takes it. Each release() adds a permit, potentially releasing a blocking acquirer. However, no actual permit objects are used; the Semaphore just keeps a count of the number available and acts accordingly.

一个信号量维护了一系列permits。

每次调用acquire()方法获取permit，如果必要的话会阻塞直到有一个permit可用为止。

调用release()方法则会释放自己持有的permit，即用完了再还回去。

信号量限制的是并发访问临界资源的线程数。

令牌桶算法 VS 漏桶算法

漏桶

漏桶的出水速度是恒定的，那么意味着如果瞬时大流量的话，将有大部分请求被丢弃掉(也就是所谓的溢出)。

令牌桶

生成令牌的速度是恒定的，而请求去拿令牌是没有速度限制的。这意味，面对瞬时大流量，该算法可以在短时间内请求拿到大量令牌，而且拿令牌的过程并不是消耗很大的事情。

最后，不论是对于令牌桶拿不到令牌被拒绝，还是漏桶的水满了溢出，都是为了保证大部分流量的正常使用，而牺牲掉了少部分流量，这是合理的，如果因为极少部分流量需要保证的话，那么就可能导致系统达到极限而挂掉，得不偿失。

小定律：排队理论the long-term average number L of customers in a stationary system is equal to the long-term average effective arrival rate λ multiplied by the average time W that a customer spends in the system. Expressed algebraically the law is：

在一个固定系统中，顾客的长期平均数量L等于顾客的长期平均到达速率λ乘以顾客在系统中平均花费的时间W。用公式表示为：

虽然这看起来很容易，但这是一个非常显著的举世瞩目的结果，因为这种关系“不受到达过程的分布，服务分布，服务顺序，或其他任何因素的影响”。这个结果适用于任何系统，特别是适用于系统内的系统。唯一的要求是系统必须是稳定的非抢占式的。

例子

例1：找响应时间

假设有一个应用程序没有简单的方法来度量响应时间。如果系统的平均数量和吞吐量是已知的，那么平均响应时间就是：

mean response time = mean number in system / mean throughput

平均响应时间 = 系统的平均数量 / 平均吞吐量.

例2：顾客在店里

想象一下，一家小商店只有一个柜台和一个可供浏览的区域，每次只能有一个人在柜台，并且没有人不买东西就离开。

所以这个系统大致是：进入 --> 浏览 --> 柜台结账 --> 离开

在一个稳定的系统中，人们进入商店的速度就是他们到达商店的速度(我们叫做到达速度)，它们离开的速度叫做离开速度。

相比之下，到达速度超过离开速度代表是一个不稳定的系统，这就会造成等待的顾客数量将逐渐增加到无穷大。

前面的小定律告诉我们，商店的平均顾客数量L等于有效的到达速度λ乘以顾客在商店的平均停留时间W。用公式表示为：

假设，顾客以每小时10个的速度到达，并且平均停留时间是0.5小时。那么这就意味着，任意时间商店的平均顾客数量是5

现在假设商店正在考虑做更多的广告，把到达率提高到每小时20。商店必须准备好容纳平均10人，或者必须将每个顾客在商店中的时间减少到0.25小时。商店可以通过更快地结帐或者增加更多的柜台来达到后者的目的。

我们可以把前面的小定律应用到商店系统中。例如，考虑柜台和在柜台前排的队。假设平均有2个人在柜台前排队，我们知道顾客到达速度是每小时10，所以顾客平均必须停留时间为0.2小时。

最后

这是单机(单进程)的限流，是JVM级别的的限流，所有的令牌生成都是在内存中，在分布式环境下不能直接这么用。

如果我们能把permit放到Redis中就可以在分布式环境中用了。

参考