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Go 基于令牌桶的限流器

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王小明_HIT
发布2021-11-12 10:22:39
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发布2021-11-12 10:22:39
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文章被收录于专栏:程序员奇点程序员奇点

Go 基于令牌桶的限流器

简介

如果一般流量过大,下游系统反应不过来,这个时候就需要限流了,其实和上地铁是一样的,就是减慢上游访问下游的速度。

限制访问服务的频次或者频率,防止服务过载,被刷爆等。

Golang 官方扩展包 time(golang.org/x/time/rate) 中,提供了一个基于令牌桶等限流器实现。

原理概述
  • 令牌:每次拿到令牌,才可访问
  • 桶 ,桶的最大容量是固定的,以固定的频率向桶内增加令牌,直至加满
  • 每个请求消耗一个令牌。
  • 限流器初始化的时候,令牌桶一般是满的。
具体使用
代码语言:javascript
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package limiter

import (
 "fmt"
 "testing"
 "time"

 "golang.org/x/time/rate"
)

func TestLimter(t *testing.T) {
 limiter := rate.NewLimiter(rate.Every(time.Millisecond*31), 2)
 //time.Sleep(time.Second)
 for i := 0; i < 10; i++ {
  var ok bool
  if limiter.Allow() {
   ok = true
  }
  time.Sleep(time.Millisecond * 20)
  fmt.Println(ok, limiter.Burst())
 }
}

执行结果:

代码语言:javascript
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=== RUN   TestLimter
true 2
true 2
true 2
false 2
true 2
true 2
false 2
true 2
true 2
false 2
--- PASS: TestLimter (0.21s)

通过执行结果可以看到, 令牌桶开始是2个满的,由于令牌的间隔比请求的间隔多了11ms(31-20), 所以每两个请求会失败一次。

具体实现原理

先看下限流器的创建方法:NewLimiter

代码语言:javascript
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func NewLimiter(r Limit, b int) *Limiter {
 return &Limiter{
  limit: r,
  burst: b,
 }
}

查看限流器数据结构 Limiter

代码语言:javascript
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// The methods AllowN, ReserveN, and WaitN consume n tokens.
type Limiter struct {
 mu     sync.Mutex
 limit  Limit
 burst  int
 tokens float64
 // last is the last time the limiter's tokens field was updated
 last time.Time
 // lastEvent is the latest time of a rate-limited event (past or future)
 lastEvent time.Time
}
  • burst 表示了桶的大小
  • limit 表示放入桶的频率
  • tokens 表示剩余令牌个数
  • last 最近取走 token 的时间
  • lastEvent 最近限流事件的时间

当令牌桶发放后,会保留在 Reservation 对象中, 定义如下, Reservation 对象,描述了一个达到 timeToAct 时间后,可以获取到的令牌的数量 tokens 数。

代码语言:javascript
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type Reservation struct {
  ok        bool  // 是否满足条件分配到了tokens
  lim       *Limiter // 发送令牌的限流器
  tokens    int   // tokens 的数量
  timeToAct time.Time  //  满足令牌发放的时间
  limit Limit  // 令牌发放速度
}
限流器如何限流

官方提供的限流器有阻塞等待, 也有直接判断方式的, 还有提供维护预留式等。如何实现限流的代码,在 reserveN 中。

使用时,每次都调用了 Allow() 方法

代码语言:javascript
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// Allow is shorthand for AllowN(time.Now(), 1).
func (lim *Limiter) Allow() bool {
 return lim.AllowN(time.Now(), 1)
}

// AllowN reports whether n events may happen at time now.
// Use this method if you intend to drop / skip events that exceed the rate limit.
// Otherwise use Reserve or Wait.
func (lim *Limiter) AllowN(now time.Time, n int) bool {
 return lim.reserveN(now, n, 0).ok
}

继续查看 reserverN 算法

方法说明:

  • 三个参数:now, n, maxFutureReserve
  • now 时间需要拿到 n 个令牌,最多等待的时间为 maxFutureReserve
  • 结果将返回一个预留令牌的对象 Reservation
代码语言:javascript
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// maxFutureReserve specifies the maximum reservation wait duration allowed.
// reserveN returns Reservation, not *Reservation, to avoid allocation in AllowN and WaitN.
func (lim *Limiter) reserveN(now time.Time, n int, maxFutureReserve time.Duration) Reservation {
 lim.mu.Lock()
 // 首先判断是否放入频次是否为无穷大,如果为无穷大,说明暂时不限流
 if lim.limit == Inf {
  lim.mu.Unlock()
  return Reservation{
   ok:        true,
   lim:       lim,
   tokens:    n,
   timeToAct: now,
  }
 }
   // 拿到截止 now 时间时,可以获取的令牌 tokens 数量,上一次拿走令牌的时间是last
 now, last, tokens := lim.advance(now)

 // Calculate the remaining number of tokens resulting from the request.
 //  更新 tokens数量,把需要拿走的去掉
 tokens -= float64(n)

 // Calculate the wait duration
 // 如果 tokens 数量为负数,说明需要等待,计算等待时间 WaitDuration
 var waitDuration time.Duration
 if tokens < 0 {
  waitDuration = lim.limit.durationFromTokens(-tokens)
 }

 // Decide result
 // 计算是否满足分配要求
 // 1. 需要分配的大小不超过桶容量
 // 2. 等待时间不超过设定的等待时长
 ok := n <= lim.burst && waitDuration <= maxFutureReserve

 // Prepare reservation
 // 最后构造一个 Resvervation 对象
 r := Reservation{
  ok:    ok,
  lim:   lim,
  limit: lim.limit,
 }
 if ok {
  r.tokens = n
  r.timeToAct = now.Add(waitDuration)
 }

 // Update state
   // 需要更新当前 limit 的值 
 if ok {
  lim.last = now
  lim.tokens = tokens
  lim.lastEvent = r.timeToAct
 } else {
  lim.last = last
 }

 lim.mu.Unlock()
 return r
}

从实现上看, limiter 并不是每隔一段时间更新当前桶的数量,而是记录了上次访问时和当前桶中令牌的数量,当再次访问时,通过上次访问时间计算出当前令牌的数量,决定是否可以发放令牌。

参考资料
  • 基于信号量的限流器:https://github.com/golang/net/blob/master/netutil/listen.go
  • 滴滴开源了一个对 http 请求对限流器中间件:https://github.com/didip/tollbooth
  • uber 开源了基于漏洞算法失效了一个限流器:https://github.com/uber-go/ratelimit Go 实现熔断器
  • https://blog.csdn.net/weixin_46825193/article/details/107032136 -https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3MjgwNTQ3OA%3D%3D&chksm=9f19ff27a86e76319e144c77418bdc64bf36abe9aa59edc0bf7c058a6c0003efbf096c4cc049&idx=1&mid=2247483950&scene=21&sn=46e30a8383d50a2fb76347076e415ade#wechat_redirect
  • https://www.cnblogs.com/Me1onRind/p/13191506.html
  • https://segmentfault.com/a/1190000023033365
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原始发表:2021-11-02,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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目录
  • Go 基于令牌桶的限流器
    • 简介
      • 原理概述
        • 具体使用
          • 具体实现原理
            • 限流器如何限流
              • 参考资料
              相关产品与服务
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