接口限流算法
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导读
- 前几天和一个朋友讨论了他们公司的系统问题，传统的单体应用，集群部署，他说近期服务的并发量可能会出现瞬时增加的风险，虽然部署了集群，但是通过压测后发现请求延迟仍然是很大，想问问我有什么改进的地方。我沉思了一会，现在去改架构显然是不可能的，于是我给出了一个建议，让他去做个接口限流，这样能够保证瞬时并发量飙高也不会出现请求延迟的问题，用户的体验度也会上去。
- 至于什么是接口限流？怎么实现接口限流？如何实现单机应用的限流？如何实现分布式应用的限流？本篇文章将会详细阐述。
限流的常见几种算法
- 常见的限流算法有很多，但是最常用的算法无非以下四种。
固定窗口计数器
- 固定算法的概念如下
- 将时间划分为多个窗口
- 在每个窗口内每有一次请求就将计数器加一
- 如果计数器超过了限制数量，则本窗口内所有的请求都被丢弃当时间到达下一个窗口时，计数器重置。
- 固定窗口计数器是最为简单的算法，但这个算法有时会让通过请求量允许为限制的两倍。考虑如下情况：限制 1 秒内最多通过 5 个请求，在第一个窗口的最后半秒内通过了 5 个请求，第二个窗口的前半秒内又通过了 5 个请求。这样看来就是在 1 秒内通过了 10 个请求。
滑动窗口计数器
- 滑动窗口计数器算法概念如下：
- 将时间划分为多个区间；
- 在每个区间内每有一次请求就将计数器加一维持一个时间窗口，占据多个区间；
- 每经过一个区间的时间，则抛弃最老的一个区间，并纳入最新的一个区间；
- 如果当前窗口内区间的请求计数总和超过了限制数量，则本窗口内所有的请求都被丢弃。
- 滑动窗口计数器是通过将窗口再细分，并且按照时间 “ 滑动 “，这种算法避免了固定窗口计数器带来的双倍突发请求，但时间区间的精度越高，算法所需的空间容量就越大。
漏桶算法
- 漏桶算法概念如下：
- 将每个请求视作 “ 水滴 “ 放入 “ 漏桶 “ 进行存储；
- “漏桶 “ 以固定速率向外 “ 漏 “ 出请求来执行如果 “ 漏桶 “ 空了则停止 “ 漏水”；
- 如果 “ 漏桶 “ 满了则多余的 “ 水滴 “ 会被直接丢弃。
- 漏桶算法多使用队列实现，服务的请求会存到队列中，服务的提供方则按照固定的速率从队列中取出请求并执行，过多的请求则放在队列中排队或直接拒绝。
- 漏桶算法的缺陷也很明显，当短时间内有大量的突发请求时，即便此时服务器没有任何负载，每个请求也都得在队列中等待一段时间才能被响应。
令牌桶算法
- 令牌桶算法概念如下：
- 令牌以固定速率生成。
- 生成的令牌放入令牌桶中存放，如果令牌桶满了则多余的令牌会直接丢弃，当请求到达时，会尝试从令牌桶中取令牌，取到了令牌的请求可以执行。
- 如果桶空了，那么尝试取令牌的请求会被直接丢弃。
- 令牌桶算法既能够将所有的请求平均分布到时间区间内，又能接受服务器能够承受范围内的突发请求，因此是目前使用较为广泛的一种限流算法。
单体应用实现
- 在传统的单体应用中限流只需要考虑到多线程即可，使用Google开源工具类guava即可。其中有一个RateLimiter专门实现了单体应用的限流，使用的是令牌桶算法。
- 单体应用的限流不是本文的重点，官网上现成的API，读者自己去看看即可，这里不再详细解释。
分布式限流
- 分布式限流和熔断现在有很多的现成的工具，比如Hystrix，Sentinel 等，但是还是有些企业不引用外来类库，因此就需要自己实现。
- Redis作为单线程多路复用的特性，很显然能够胜任这项任务。
Redis如何实现
- 使用令牌桶的算法实现，根据前面的介绍，我们了解到令牌桶算法的基础需要两个个变量，分别是桶容量，产生令牌的速率。
- 这里我们实现的就是每秒产生的速率加上一个桶容量。但是如何实现呢？这里有几个问题。
- 需要保存什么数据在redis中？
- 当前桶的容量，最新的请求时间
- 以什么数据结构存储？
- 因为是针对接口限流，每个接口的业务逻辑不同，对并发的处理也是不同，因此要细化到每个接口的限流，此时我们选用HashMap的结构，hashKey是接口的唯一id，可以是请求的uri，里面的分别存储当前桶的容量和最新的请求时间。
- 如何计算需要放令牌？
- 根据redis保存的上次的请求时间和当前时间比较，如果相差大于的产生令牌的时间（陈某实现的是1秒）则再次产生令牌，此时的桶容量为当前令牌+产生的令牌
- 如何保证redis的原子性？
- 保证redis的原子性，使用lua脚本即可解决。
- 有了上述的几个问题，便能很容易的实现。
开撸
1、lua脚本如下：
1234567891011121314151617181920212223242526272829303132 | local ratelimit_info = redis.pcall('HMGET',KEYS[1],'last_time','current_token')local last_time = ratelimit_info[1]local current_token = tonumber(ratelimit_info[2])local max_token = tonumber(ARGV[1])local token_rate = tonumber(ARGV[2])local current_time = tonumber(ARGV[3])if current_token == nil then current_token = max_token last_time = current_timeelse local past_time = current_time-last_time if past_time>1000 then current_token = current_token+token_rate last_time = current_time end ## 防止溢出 if current_token>max_token then current_token = max_token last_time = current_time endendlocal result = 0if(current_token>0) then result = 1 current_token = current_token-1 last_time = current_timeendredis.call('HMSET',KEYS[1],'last_time',last_time,'current_token',current_token)return result |
|---|
- 调用lua脚本出四个参数，分别是接口方法唯一id，桶容量，每秒产生令牌的数量，当前请求的时间戳。
2、 SpringBoot代码实现
- 采用Spring-data-redis实现lua脚本的执行。
- Redis序列化配置：
12345678910111213141516171819202122 | /** * 重新注入模板 */ @Bean(value = "redisTemplate") @Primary public RedisTemplate redisTemplate(RedisConnectionFactory redisConnectionFactory){ RedisTemplate<String, Object> template = new RedisTemplate<>(); template.setConnectionFactory(redisConnectionFactory); ObjectMapper objectMapper = new ObjectMapper(); objectMapper.setSerializationInclusion(JsonInclude.Include.NON_NULL); objectMapper.enableDefaultTyping(ObjectMapper.DefaultTyping.NON_FINAL); //设置序列化方式，key设置string 方式，value设置成json StringRedisSerializer stringRedisSerializer = new StringRedisSerializer(); Jackson2JsonRedisSerializer jsonRedisSerializer = new Jackson2JsonRedisSerializer(Object.class); jsonRedisSerializer.setObjectMapper(objectMapper); template.setEnableDefaultSerializer(false); template.setKeySerializer(stringRedisSerializer); template.setHashKeySerializer(stringRedisSerializer); template.setValueSerializer(jsonRedisSerializer); template.setHashValueSerializer(jsonRedisSerializer); return template; } |
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- 限流工具类
1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556575859606162 | /** * @Description 限流工具类 * @Author CJB * @Date 2020/3/19 17:21 */public class RedisLimiterUtils { private static StringRedisTemplate stringRedisTemplate=ApplicationContextUtils.applicationContext.getBean(StringRedisTemplate.class); /** * lua脚本，限流 */ private final static String TEXT="local ratelimit_info = redis.pcall('HMGET',KEYS[1],'last_time','current_token')\n" + "local last_time = ratelimit_info[1]\n" + "local current_token = tonumber(ratelimit_info[2])\n" + "local max_token = tonumber(ARGV[1])\n" + "local token_rate = tonumber(ARGV[2])\n" + "local current_time = tonumber(ARGV[3])\n" + "if current_token == nil then\n" + " current_token = max_token\n" + " last_time = current_time\n" + "else\n" + " local past_time = current_time-last_time\n" + " \n" + " if past_time>1000 then\n" + "\t current_token = current_token+token_rate\n" + "\t last_time = current_time\n" + " end\n" + "\n" + " if current_token>max_token then\n" + " current_token = max_token\n" + "\tlast_time = current_time\n" + " end\n" + "end\n" + "\n" + "local result = 0\n" + "if(current_token>0) then\n" + " result = 1\n" + " current_token = current_token-1\n" + " last_time = current_time\n" + "end\n" + "redis.call('HMSET',KEYS[1],'last_time',last_time,'current_token',current_token)\n" + "return result"; /** * 获取令牌 * @param key 请求id * @param max 最大能同时承受多少的并发（桶容量） * @param rate 每秒生成多少的令牌 * @return 获取令牌返回true，没有获取返回false */ public static boolean tryAcquire(String key, int max,int rate) { List<String> keyList = new ArrayList<>(1); keyList.add(key); DefaultRedisScript<Long> script = new DefaultRedisScript<>(); script.setResultType(Long.class); script.setScriptText(TEXT); return Long.valueOf(1).equals(stringRedisTemplate.execute(script,keyList,Integer.toString(max), Integer.toString(rate), Long.toString(System.currentTimeMillis()))); }} |
|---|
- 采用拦截器+注解的方式实现，注解如下：
123456789101112131415161718192021 | /** * @Description 限流的注解，标注在类上或者方法上。在方法上的注解会覆盖类上的注解，同@Transactional * @Author CJB * @Date 2020/3/20 13:36 */@Inherited@Target({ElementType.TYPE, ElementType.METHOD})@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)public @interface RateLimit { /** * 令牌桶的容量，默认100 * @return */ int capacity() default 100; /** * 每秒钟默认产生令牌数量，默认10个 * @return */ int rate() default 10;} |
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- 拦截器如下：
1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435 | /** * @Description 限流的拦器 * @Author CJB * @Date 2020/3/19 14:34 */@Componentpublic class RateLimiterIntercept implements HandlerInterceptor { @Override public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler) throws Exception { if (handler instanceof HandlerMethod){ HandlerMethod handlerMethod=(HandlerMethod)handler; Method method = handlerMethod.getMethod(); /** * 首先获取方法上的注解 */ RateLimit rateLimit = AnnotationUtils.findAnnotation(method, RateLimit.class); //方法上没有标注该注解，尝试获取类上的注解 if (Objects.isNull(rateLimit)){ //获取类上的注解 rateLimit = AnnotationUtils.findAnnotation(handlerMethod.getBean().getClass(), RateLimit.class); } //没有标注注解，放行 if (Objects.isNull(rateLimit)) return true; //尝试获取令牌，如果没有令牌了 if (!RedisLimiterUtils.tryAcquire(request.getRequestURI(),rateLimit.capacity(),rateLimit.rate())){ //抛出请求超时的异常 throw new TimeOutException(); } } return true; }} |
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- SpringBoot配置拦截器的代码就不贴了，以上就是完整的代码，至此分布式限流就完成了。