新来的技术女总监，把限流讲得贼通透！

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你好，我是猿java

最近，新来了个技术女总监，今天，我们一起来欣赏下，女总监如何把分布式ID 讲通透。文末有彩蛋哦！

为什么需要限流？

在实际应用中，每个系统或者服务都有其处理能力的极限（瓶颈），即便是微服务中有集群和分布式的夹持，也不能保证系统能应对任何大小的流量，
因此，系统为了自保，需要对处理能力范围以外的流量进行“特殊照顾”（比如，丢弃请求或者延迟处理），从而避免系统卡死、崩溃或不可用等情况，保证系统整体服务可用。

限流算法

令牌桶算法

令牌桶算法（Token Bucket Algorithm）是计算机网络和电信领域中常用的一种简单方法，用于流量整形和速率限制。它旨在控制系统在某个时间段内可以发送或接收的数据量，确保流量符合指定的速率。

令牌桶算法的核心思路：系统按照固定速度往桶里加入令牌，如果桶满则停止添加。当有请求到来时，会尝试从桶里拿走一个令牌，取到令牌才能继续进行请求处理，没有令牌就拒绝服务。示意图如下：

img.png

令牌桶法的几个特点：

  1. 令牌桶容量固定，即系统的处理能力阈值
  2. 令牌放入桶内的速度固定
  3. 令牌从桶内拿出的速度根据实际请求量而定，每个请求对应一个令牌
  4. 当桶内没有令牌时，请求进入等待或者被拒绝

令牌桶算法主要用于应对突发流量的场景，在 Java语言中使用最多的是 Google的 Guava RateLimiter，下面举几个例子来说明它是如何应对突发流量：

示例1

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import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class RateLimit {

  public static void main(String[] args) {
    RateLimiter limiter = RateLimiter.create(5); // 每秒创建5个令牌
    System.out.println("acquire(5), wait " + limiter.acquire(5) + " s"); // 全部取走 5个令牌
    System.out.println("acquire(1), wait " + limiter.acquire(1) + " s");// 获取1个令牌
    boolean result = limiter.tryAcquire(1, 0, TimeUnit.SECONDS); // 尝试获取1个令牌，获取不到则直接返回
    System.out.println("tryAcquire(1), result: " + result);
  }
}

示例代码运行结果如下：

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acquire(5), wait 0.0 s
acquire(1), wait 0.971544 s
tryAcquire(1), result: false

桶中共有 5个令牌，acquire(5)返回0 代表令牌充足无需等待，当桶中令牌不足，acquire(1)等待一段时间才获取到，当令牌不足时，tryAcquire(1)不等待直接返回。

示例2

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import com.google.common.util.concurrent.RateLimiter;
public class RateLimit {
    public static void main(String[] args) {
        RateLimiter limiter = RateLimiter.create(5);
        System.out.println("acquire(10), wait " + limiter.acquire(10) + " s");
        System.out.println("acquire(1), wait " + limiter.acquire(1) + " s");
    }
}

示例代码运行结果如下：

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acquire(10), wait 0.0 s
acquire(1), wait 1.974268 s

桶中共有 5个令牌，acquire(10)返回0，和示例似乎有点冲突，其实，这里返回0 代表应对了突发流量，但是 acquire(1)
却等待了 1.974268秒，这代表 acquire(1)的等待是时间包含了应对突然流量多出来的 5个请求，即 1.974268 = 1 + 0.974268。

为了更好的验证示例2的猜想，我们看示例3:

示例3

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import com.google.common.util.concurrent.RateLimiter;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class RateLimit {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        RateLimiter limiter = RateLimiter.create(5);
        System.out.println("acquire(5), wait " + limiter.acquire(5) + " s");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        System.out.println("acquire(5), wait " + limiter.acquire(5) + " s");
        System.out.println("acquire(1), wait " + limiter.acquire(1) + " s");
    }
}

示例代码运行结果如下：

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acquire(5), wait 0.0 s
acquire(5), wait 0.0 s
acquire(1), wait 0.966104 s

桶中共有 5个令牌，acquire(5)返回0 代表令牌充足无需等待，接着睡眠 1s，这样系统又可以增加5个令牌，
因此，再次 acquire(5)令牌充足返回0 无需等待，acquire(1)需要等待一段时间才能获取令牌。

漏桶算法

漏桶算法（Leaky Bucket Algorithm）的核心思路是：水（请求）进入固定容量的漏桶，漏桶的水以固定的速度流出，当水流入漏桶的速度过大导致漏桶满而直接溢出，然后拒绝请求。示意图如下：

img.png

下面为一个 Java版本的漏桶算法示例：

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import java.util.concurrent.*;
public class LeakyBucket {
    private final int capacity; // 桶的容量
    private final int rate;     // 出水速率
    private int water;          // 漏斗中的水量
    private long lastLeakTime;  // 上一次漏水的时间

    public LeakyBucket(int capacity, int rate) {
        this.capacity = capacity;
        this.rate = rate;
        this.water = 0;
        this.lastLeakTime = System.currentTimeMillis();
    }

    public synchronized boolean allowRequest(int tokens) {
        leak(); // 漏水
        if (water + tokens <= capacity) {
            water += tokens; // 漏斗容量未满，可以加水
            return true;
        } else {
            return false; // 漏斗容量已满，无法加水
        }
    }

    private void leak() {
        long currentTime = System.currentTimeMillis();
        long timeElapsed = currentTime - lastLeakTime;
        int waterToLeak = (int) (timeElapsed * rate / 1000); // 计算经过的时间内应该漏掉的水量
        water = Math.max(0, water - waterToLeak); // 漏水
        lastLeakTime = currentTime; // 更新上一次漏水时间
    }

    public static void main(String[] args) {
        LeakyBucket bucket = new LeakyBucket(10, 2); // 容量为10，速率为2令牌/秒
        int[] packets = {2, 3, 1, 5, 2, 10}; // 要发送的数据包大小

        for (int packet : packets) {
            if (bucket.allowRequest(packet)) {
                System.out.println("发送 " + packet + " 字节的数据包");
            } else {
                System.out.println("漏桶已满，无法发送数据包");
            }
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1); // 模拟发送间隔
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

漏桶算法的几个特点：

  1. 漏桶容量固定
  2. 流入（请求）速度随意
  3. 流出（处理请求）速度固定
  4. 桶满则溢出，即拒绝新请求（限流）

计数器算法

计数器是最简单的限流方式，主要用来限制总并发数，主要通过一个支持原子操作的计数器来累计 1秒内的请求次数，当 秒内计数达到限流阈值时触发拒绝策略。每过 1秒，计数器重置为 0开始重新计数。比如数据库连接池大小、线程池大小、程序访问并发数等都是使用计数器算法。

如下代码就是一个Java版本的计数器算法示例，通过一个原子计算器 AtomicInteger来记录总数，如果请求数大于总数就拒绝请求，否则正常处理请求：

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import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class CounterRateLimiter {
    private final int limit;          // 限流阈值
    private final long windowSizeMs;  // 时间窗口大小（毫秒）
    private AtomicInteger counter;    // 请求计数器
    private long lastResetTime;       // 上次重置计数器的时间

    public CounterRateLimiter(int limit, long windowSizeMs) {
        this.limit = limit;
        this.windowSizeMs = windowSizeMs;
        this.counter = new AtomicInteger(0);
        this.lastResetTime = System.currentTimeMillis();
    }

    public boolean allowRequest() {
        long currentTime = System.currentTimeMillis();
        // 如果当前时间超出了时间窗口，重置计数器
        if (currentTime - lastResetTime > windowSizeMs) {
            counter.set(0);
            lastResetTime = currentTime;
        }
        // 检查计数器是否超过了限流阈值
        return counter.incrementAndGet() <= limit;
    }

    public static void main(String[] args) {
        CounterRateLimiter rateLimiter = new CounterRateLimiter(3, 1000); // 每秒最多处理3个请求
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if (rateLimiter.allowRequest()) {
                System.out.println("允许请求 " + (i + 1));
            } else {
                System.out.println("限流，拒绝请求 " + (i + 1));
            }
            try {
                Thread.sleep(200); // 模拟请求间隔
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

滑动窗口算法

滑动窗口算法是一种常用于限流和统计的算法。它基于一个固定大小的时间窗口，在这个时间窗口内统计请求的数量，
并根据设定的阈值来控制流量。比如，TCP协议就使用了该算法

以下是一个简单的 Java 示例实现滑动窗口算法：

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import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class SlidingWindowRateLimiter {
    private final int limit;          // 限流阈值
    private final long windowSizeMs;  // 时间窗口大小（毫秒）
    private final AtomicInteger[] window;  // 滑动窗口
    private long lastUpdateTime;      // 上次更新窗口的时间
    private int pointer;              // 指向当前时间窗口的指针

    public SlidingWindowRateLimiter(int limit, long windowSizeMs, int granularity) {
        this.limit = limit;
        this.windowSizeMs = windowSizeMs;
        this.window = new AtomicInteger[granularity];
        for (int i = 0; i < granularity; i++) {
            window[i] = new AtomicInteger(0);
        }
        this.lastUpdateTime = System.currentTimeMillis();
        this.pointer = 0;
    }

    public synchronized boolean allowRequest() {
        long currentTime = System.currentTimeMillis();
        // 计算时间窗口的起始位置
        long windowStart = currentTime - windowSizeMs + 1;

        // 更新窗口中过期的计数器
        while (lastUpdateTime < windowStart) {
            lastUpdateTime++;
            window[pointer].set(0);
            pointer = (pointer + 1) % window.length;
        }

        // 检查窗口内的总计数是否超过限流阈值
        int totalRequests = 0;
        for (AtomicInteger counter : window) {
            totalRequests += counter.get();
        }

        if (totalRequests >= limit) {
            return false; // 超过限流阈值，拒绝请求
        } else {
            window[pointer].incrementAndGet(); // 记录新的请求
            return true; // 允许请求
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SlidingWindowRateLimiter rateLimiter = new SlidingWindowRateLimiter(10, 1000, 10); // 每秒最多处理10个请求
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            if (rateLimiter.allowRequest()) {
                System.out.println("允许请求 " + (i + 1));
            } else {
                System.out.println("限流，拒绝请求 " + (i + 1));
            }
            try {
                Thread.sleep(100); // 模拟请求间隔
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

Redis + Lua分布式限流

Redis + Lua属于分布式环境下的限流方案，主要利用的是Lua在 Redis中运行能保证原子性。如下示例为一个简单的Lua限流脚本：

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local key = KEYS[1]
local limit = tonumber(ARGV[1])
local current = tonumber(redis.call('get', key) or "0")

if current + 1 > limit then
    return 0
else
    redis.call("INCRBY", key, 1)
    redis.call("EXPIRE", key, 1)
    return 1
end

脚本解释：

  • KEYS[1]：限流的键名，注意，在Lua中，下角标是从 1开始
  • ARGV[1]：限流的最大值
  • redis.call(‘get’, key)：获取当前限流计数。
  • redis.call(‘INCRBY’, key, 1)：增加限流计数。
  • redis.call(‘EXPIRE’, key, 1)：设置键的过期时间为 1 秒。

三方工具

当我们自己无法实现比较好的限流方案时，成熟的三方框架就是我们比较好的选择，下面列出两个 Java语言比较优秀的框架。

resilience4j

resilience4j 是一个轻量级的容错库，提供了限流、熔断、重试等功能。限流模块 RateLimiter 提供了灵活的限流配置，其优点如下：

  • 集成了多种容错机制
  • 支持注解方式配置
  • 易于与 Spring Boot集成

Sentinel

Sentinel 是阿里巴巴开源的一个功能全面的流量防护框架，提供限流、熔断、系统负载保护等多种功能。其优点如下：

  • 功能全面，适用于多种场景
  • 强大的监控和控制台
  • 与 Spring Cloud 深度集成

总结

本文讲述了以下几种限流方式：

  • 计数器
  • 滑动窗口
  • 漏桶
  • 令牌桶
  • Redis + Lua 分布式限流

上面的限流方式，主要是针对服务器进行限流，除此之外，我们也可以对客户端进行限流， 比如验证码，答题，排队等方式。

另外，我们也会在一些中间件上进行限流，比如Apache、Tomcat、Nginx等。

在实际的开发中，限流场景略有差异，限流的维度也不一样，比如，有的场景需要根据请求的 URL来限流，有的会对 IP地址进行限流、另外，设备ID、用户ID 也是限流常用的维度，因此，我们需要结合真实业务场景灵活的使用限流方案。

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