Sentinel使用令牌桶实现预热【原理源码】

前言

Sentinel的QPS流控效果有快速失败、预热模式、排队等待、预热+排队等待模式，本文主要分析预热模式中是如何使用令牌桶算法限流的。

一、流控效果源码结构

在FlowRule更新缓存时，根据配置的不同类型初始化不同的流控效果处理类。

1.流控效果封装入口

2.分发不同的控制类

3.流控控制类图

二、快速失败

快速失败即发送流控时抛出FlowException。

1.快速失败流程

备注 @1 获取当前已经使用的线程数或者QPS @2 与阈值进行判断，是否允许本次通行 @3 QPS流控并且prioritized设置为true表示预占用令牌 @4 大于阈值触发流控 @5 小于阈值允许通行

2.预占用令牌

预占用令牌：当基于QPS流控时并且prioritized设置为true，表示当前时间窗口令牌不够时，预占用下个时间窗口的令牌并返回需要等待的时间。

备注：在不考虑优先级（预占用）令牌的情况，快速失败比较简单。

三、令牌桶原理

预热模式缓慢增加流量的一种方式，避免瞬间流量将系统压垮。

1.令牌桶图示

工作过程

• 请求流量从令牌桶中获取令牌，持有令牌放行，否则被拒
• 假如设置阈值每秒允许100个请求通过，则请求发送速率r=100/s
• 需要令牌生产速率为1/r，即1/100每10毫秒产生一个令牌
• 令牌桶容量为b已满多余的令牌将被丢弃
• 令牌桶为空请求被拒
• 允许突发流量最大突发流量为令牌桶容量b
• 请求通过相应的令牌从令牌桶中移除

2.令牌桶限流原理

假如系统平时流量很低，突然陡增的流量需要缓慢增加。具体到令牌桶，可以通过控制令牌的生产速率来对流量进行控制。令牌生产速率如何控制？

我们在使用sentinel设置QPS的预热流控时，需要设置阈值count和预热时长warmUpPeriodInSec，下面梳理下与下图坐标图的关系。

坐标图说明

换算关系

• count，已知由用户设置，例如每秒允许通过100个请求
• warmUpPeriodInSec，已知由用户设置，默认为10秒，时间区域上红色（2）梯形区域
• coldFactor，已知默认为3

公式一：stableInterval = 1/count
公式二：coldInterval = stableInterval * coldFactor

备注：由于coldFactor默认为3，y轴stableInterval~coldInterval的距离是0~stableInterval的距离两倍，时间区域上红色（2）梯形区域是红色1的长方形区域的两倍。

公式三：坐标时间（1）长方形区域面积 = 长（thresholdPermits(warningToken)） * 宽（stableInterval）
公式四：坐标时间（1）长方形区域面积 = 0.5 * warmUpPeriodInSec
公式五：thresholdPermits(warningToken)=0.5 * warmUpPeriodInSec/stableInterval

备注：梯形的面积 = （上低+下低）* 高 ➗ 2 推导出maxPermits(maxToken)的值。

公式六：maxPermits(maxToken) = thresholdPermits(warningToken) + 2 * warmUpPeriodInSec ➗ (stableInterval + coldInterval)

备注：由斜率公式k=(y1-y2)➗(x1-x2)，得出斜率如下。

slope = (coldInterval-stableInterval)➗(maxPermits(maxToken)-thresholdPermits(warningToken))

原理概述

当令牌桶中的令牌数小于thresholdPermits(warningToken)时，令牌按照固定速率生产，请求流量稳定。当令牌数大于thresholdPermits(warningToken)时，开启预热。此段时期，生产的令牌的速率小于令牌滑落的速度，一段时间后，令牌小于等于thresholdPermits(warningToken)，请求回归到稳定状态，预热结束。

四、预热源码分析

1.WarmUpController构造函数

备注：此部分主要计算了warningToken阈值、最大令牌数maxToken、斜率slope，详细推导过程见原理部分。

2.请求判断逻辑

3.令牌的生产和滑落

备注：从代码可以看出sentinel中桶中的令牌生产和移除是在下次请求到来时一起处理的，另外Sentinel提供的令牌生产公式与当前时间currentTime有关系，如果一个冷系统好久没有流量，瞬间来了很大流量，此时的桶中令牌数会直接到达最大值maxToken，这也是官方提供的曲线图中开始流量比较陡的原因。

作者丨梁勇 来源丨瓜农老梁