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如何限流？在工作中是怎么做的？说一下具体的实现？

  • Author: HuiFer
  • Description: 该文简单介绍限流相关技术以及实现

什么是限流

限流可以认为服务降级的一种，限流就是限制系统的输入和输出流量已达到保护系统的目的。一般来说系统的吞吐量是可以被测算的，为了保证系统的稳定运行，一旦达到的需要限制的阈值，就需要限制流量并采取一些措施以完成限制流量的目的。比如：延迟处理，拒绝处理，或者部分拒绝处理等等。

限流方法

计数器

实现方式

  • 控制单位时间内的请求数量
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class Counter {
    /**
     * 最大访问数量
     */
    private final int limit = 10;
    /**
     * 访问时间差
     */
    private final long timeout = 1000;
    /**
     * 请求时间
     */
    private long time;
    /**
     * 当前计数器
     */
    private AtomicInteger reqCount = new AtomicInteger(0);

    public boolean limit() {
        long now = System.currentTimeMillis();
        if (now < time + timeout) {
            // 单位时间内
            reqCount.addAndGet(1);
            return reqCount.get() <= limit;
        } else {
            // 超出单位时间
            time = now;
            reqCount = new AtomicInteger(0);
            return true;
        }
    }
}
  • 劣势
    • 假设在 00:01 时发生一个请求,在 00:01-00:58 之间不在发送请求,在 00:59 时发送剩下的所有请求 n-1 (n 为限流请求数量),在下一分钟的 00:01 发送 n 个请求,这样在 2 秒钟内请求到达了 2n - 1 个.
      • 设每分钟请求数量为 60 个,每秒可以处理 1 个请求,用户在 00:59 发送 60 个请求,在 01:00 发送 60 个请求 此时 2 秒钟有 120 个请求(每秒 60 个请求),远远大于了每秒钟处理数量的阈值

滑动窗口

实现方式

  • 滑动窗口是对计数器方式的改进, 增加一个时间粒度的度量单位
    • 把一分钟分成若干等分(6 份,每份 10 秒), 在每一份上设置独立计数器,在 00:00-00:09 之间发生请求计数器累加 1.当等分数量越大限流统计就越详细
package com.example.demo1.service;

import java.util.Iterator;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
import java.util.stream.IntStream;

public class TimeWindow {
    private ConcurrentLinkedQueue<Long> queue = new ConcurrentLinkedQueue<Long>();

    /**
     * 间隔秒数
     */
    private int seconds;

    /**
     * 最大限流
     */
    private int max;

    public TimeWindow(int max, int seconds) {
        this.seconds = seconds;
        this.max = max;

        /**
         * 永续线程执行清理queue 任务
         */
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    // 等待 间隔秒数-1 执行清理操作
                    Thread.sleep((seconds - 1) * 1000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                clean();
            }
        }).start();

    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        final TimeWindow timeWindow = new TimeWindow(10, 1);

        // 测试3个线程
        IntStream.range(0, 3).forEach((i) -> {
            new Thread(() -> {

                while (true) {

                    try {
                        Thread.sleep(new Random().nextInt(20) * 100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    timeWindow.take();
                }

            }).start();

        });

    }

    /**
     * 获取令牌，并且添加时间
     */
    public void take() {

        long start = System.currentTimeMillis();
        try {

            int size = sizeOfValid();
            if (size > max) {
                System.err.println("超限");

            }
            synchronized (queue) {
                if (sizeOfValid() > max) {
                    System.err.println("超限");
                    System.err.println("queue中有 " + queue.size() + " 最大数量 " + max);
                }
                this.queue.offer(System.currentTimeMillis());
            }
            System.out.println("queue中有 " + queue.size() + " 最大数量 " + max);

        }

    }

    public int sizeOfValid() {
        Iterator<Long> it = queue.iterator();
        Long ms = System.currentTimeMillis() - seconds * 1000;
        int count = 0;
        while (it.hasNext()) {
            long t = it.next();
            if (t > ms) {
                // 在当前的统计时间范围内
                count++;
            }
        }

        return count;
    }

    /**
     * 清理过期的时间
     */
    public void clean() {
        Long c = System.currentTimeMillis() - seconds * 1000;

        Long tl = null;
        while ((tl = queue.peek()) != null && tl < c) {
            System.out.println("清理数据");
            queue.poll();
        }
    }

}

Leaky Bucket 漏桶

实现方式

  • 规定固定容量的桶, 有水进入, 有水流出. 对于流进的水我们无法估计进来的数量、速度, 对于流出的水我们可以控制速度.
public class LeakBucket {
    /**
     * 时间
     */
    private long time;
    /**
     * 总量
     */
    private Double total;
    /**
     * 水流出去的速度
     */
    private Double rate;
    /**
     * 当前总量
     */
    private Double nowSize;

    public boolean limit() {
        long now = System.currentTimeMillis();
        nowSize = Math.max(0, (nowSize - (now - time) * rate));
        time = now;
        if ((nowSize + 1) < total) {
            nowSize++;
            return true;
        } else {
            return false;
        }

    }
}

Token Bucket 令牌桶

实现方式

  • 规定固定容量的桶, token 以固定速度往桶内填充, 当桶满时 token 不会被继续放入, 每过来一个请求把 token 从桶中移除, 如果桶中没有 token 不能请求
public class TokenBucket {
    /**
     * 时间
     */
    private long time;
    /**
     * 总量
     */
    private Double total;
    /**
     * token 放入速度
     */
    private Double rate;
    /**
     * 当前总量
     */
    private Double nowSize;

    public boolean limit() {
        long now = System.currentTimeMillis();
        nowSize = Math.min(total, nowSize + (now - time) * rate);
        time = now;
        if (nowSize < 1) {
            // 桶里没有token
            return false;
        } else {
            // 存在token
            nowSize -= 1;
            return true;
        }
    }

}

工作中的使用

spring cloud gateway

  • spring cloud gateway 默认使用 redis 进行限流, 笔者一般只是修改修改参数属于拿来即用. 并没有去从头实现上述那些算法.
<dependency>
    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-gateway</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-data-redis-reactive</artifactId>
</dependency>
spring:
  cloud:
    gateway:
      routes:
        - id: requestratelimiter_route

          uri: lb://pigx-upms
          order: 10000
          predicates:
            - Path=/admin/**

          filters:
            - name: RequestRateLimiter

              args:
                redis-rate-limiter.replenishRate: 1 # 令牌桶的容积
                redis-rate-limiter.burstCapacity: 3 # 流速 每秒
                key-resolver: "#{@remoteAddrKeyResolver}" #SPEL表达式去的对应的bean

            - StripPrefix=1
@Bean
KeyResolver remoteAddrKeyResolver() {
    return exchange -> Mono.just(exchange.getRequest().getRemoteAddress().getHostName());
}

sentinel

  • 通过配置来控制每个 url 的流量
<dependency>
    <groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-sentinel</artifactId>
</dependency>
spring:
  cloud:
    nacos:
      discovery:
        server-addr: localhost:8848
    sentinel:
      transport:
        dashboard: localhost:8080
        port: 8720
      datasource:
        ds:
          nacos:
            server-addr: localhost:8848
            dataId: spring-cloud-sentinel-nacos
            groupId: DEFAULT_GROUP
            rule-type: flow
            namespace: xxxxxxxx
  • 配置内容在 nacos 上进行编辑
[
  {
    "resource": "/hello",
    "limitApp": "default",
    "grade": 1,
    "count": 1,
    "strategy": 0,
    "controlBehavior": 0,
    "clusterMode": false
  }
]
  • resource：资源名，即限流规则的作用对象。
  • limitApp：流控针对的调用来源，若为 default 则不区分调用来源。
  • grade：限流阈值类型，QPS 或线程数模式，0 代表根据并发数量来限流，1 代表根据 QPS 来进行流量控制。
  • count：限流阈值
  • strategy：判断的根据是资源自身，还是根据其它关联资源 (refResource)，还是根据链路入口
  • controlBehavior：流控效果（直接拒绝 / 排队等待 / 慢启动模式）
  • clusterMode：是否为集群模式

总结

sentinel 和 spring cloud gateway 两个框架都是很好的限流框架, 但是在我使用中还没有将spring-cloud-alibaba接入到项目中进行使用, 所以我会选择spring cloud gateway, 当接入完整的或者接入 Nacos 项目使用 setinel 会有更加好的体验.