.NET/JAVA/GO 固定时间窗口算法实现（无锁线程安全）
一.前言
最近有一个生成 APM TraceId 的需求，公司的APM系统的 TraceId 的格式为：APM AgentId+毫秒级时间戳+自增数字，根据此规则生成的 Id 可以保证全局唯一（有 NTP 时间同步），前两个字段好说，最后一个字段也不复杂，我的想法是按秒来进行自增。比如说1秒的时候，自增计数为100，在2秒的时候会重置为0，然后进行自增。其实这个思想就是固定时间窗口算法，这个算法一般常用在限流、Id生成器等场景。
二. .NET 代码实现
long _currentTime;
long _current;
public long FixedWindow()
{
var now = DateTimeOffset.Now.ToUnixTimeSeconds();
var ct = Interlocked.Read(ref _currentTime);
if (now > ct)
{
if (Interlocked.CompareExchange(ref _currentTime, now, ct)==ct)
{
Interlocked.Exchange(ref _current, 0);
}
}
return Interlocked.Increment(ref _current);
}代码没多少，每调用一次就返回计数，采用的 C# CAS API Interlocked ，保证每个计数操作都是原子操作，从而达到无锁。
测试代码，使用10个线程并发调用，每个线程调用 1w次，最终期望计数应该是10w。
private static long _currentTime;
private static long _current;
private static Semaphore _semaphore = new Semaphore(0, 10);
static void Main(string[] args)
{
_currentTime = DateTimeOffset.Now.ToUnixTimeSeconds();
_current = 0;
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
Task.Factory.StartNew(() =>
{
for (int j = 0; j < 10000; j++)
{
FixedWindow();
}
_semaphore.Release(1);
});
}
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
_semaphore.WaitOne();
}
Console.WriteLine(_current);
Console.WriteLine("sleep 2s");
Thread.Sleep(2000);
Console.WriteLine(FixedWindow());
}执行结果：
image-20220217141347106
符合预期，10线程的计数在 1s 内能执行完毕，所以最终计数是10w，然后sleep 2s，重置计数，再次调用就返回了 1
三.JAVA代码实现
static AtomicLong currentTime = new AtomicLong();
static AtomicLong currentNumber = new AtomicLong();
public static long fixedWindow() {
long now = currentTimeSeconds();
long ct = currentTime.get();
if (now > ct) {
if (currentTime.compareAndSet(ct, now)) {
currentNumber.set(0);
}
}
return currentNumber.incrementAndGet();
}
public static long currentTimeSeconds(){
return System.currentTimeMillis() / 1000;
}测试代码：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
currentTime.set(currentTimeSeconds());
currentNumber.set(0);
long num = 0;
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
num = fixedWindow();
}
System.out.println(num);
Thread.sleep(2000);
System.out.println(fixedWindow());
}执行结果：
符合预期，但是以上代码用在生产环境，需要自定替换 currentTimeSeconds 方法的实现，不能每次都调用 System.currentTimeMillis()，在多线程同时调用下，会有性能问题，可以自己实现一个定时器来返回当前时间
四.GO代码实现
var currentTime atomic.Int64
var currentNumber atomic.Int64
func fixedWindow() int64 {
now := time.Now().Unix()
ct := currentTime.Load()
if now > ct {
if currentTime.CAS(ct, now) {
currentNumber.Store(0)
}
}
return currentNumber.Inc()
}测试代码：
func main() {
wg := sync.WaitGroup{}
for i := 0; i < 10; i++ {
wg.Add(1)
go func() {
for j := 0; j < 10000; j++ {
fixedWindow()
}
wg.Done()
}()
}
wg.Wait()
fmt.Println(currentNumber.Load())
time.Sleep(2 * time.Second)
fmt.Println(fixedWindow())
}执行结果：
符合预期，10个协程的计数在 1s 内能执行完毕，所以最终计数是10w，然后sleep 2s，重置计数，再次调用就返回了 1
五.资料
本文 Demo 代码：github
本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自作者个人站点/博客。
原始发表：2022-02-17，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除
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