token bucket令牌桶限流算法原理及代码

1 概述

限流算法主要有如下几种：

• 基于信号量Semaphore 只有数量维度，没有时间维度
• 基于fixed window 带上了时间维度，不过在两个窗口的临界点容易出现超出限流的情况，比如限制每分钟10个请求，在00:59请求了10次，在01:01又请求了10次，而从00:30-01:30这个时间窗口来看，这一分钟请求了20次，没有控制好
• 基于rolling window 就是要解决fixed window没解决的窗口临界问题，主要有基于token bucket的算法，以及基于leaky bucket的算法
• token bucket算法 token按指定速率添加到bucket中 一个bucket有其容量限制，超过其容量则多余的token会被丢弃 当请求到来时，先试图获取token，如果剩余token足够则放行，不够则不允许放行(可能等待token足够再继续)

2 简单实现

2.1 Java版

/**
 * The minimalistic token-bucket implementation
 */
public class MinimalisticTokenBucket {

    private final long capacity;
    private final double refillTokensPerOneMillis;

    private double availableTokens;
    private long lastRefillTimestamp;

    /**
     * Creates token-bucket with specified capacity and refill rate equals to refillTokens/refillPeriodMillis
     */
    public MinimalisticTokenBucket(long capacity, long refillTokens, long refillPeriodMillis) {
        this.capacity = capacity;
        this.refillTokensPerOneMillis = (double) refillTokens / (double) refillPeriodMillis;

        this.availableTokens = capacity;
        this.lastRefillTimestamp = System.currentTimeMillis();
    }

    synchronized public boolean tryConsume(int numberTokens) {
        refill();
        if (availableTokens < numberTokens) {
            return false;
        } else {
            availableTokens -= numberTokens;
            return true;
        }
    }

    private void refill() {
        long currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();
        if (currentTimeMillis > lastRefillTimestamp) {
            long millisSinceLastRefill = currentTimeMillis - lastRefillTimestamp;
            double refill = millisSinceLastRefill * refillTokensPerOneMillis;
            this.availableTokens = Math.min(capacity, availableTokens + refill);
            this.lastRefillTimestamp = currentTimeMillis;
        }
    }

    private static final class Selftest {

        public static void main(String[] args) {
            // 100 tokens per 1 second
            MinimalisticTokenBucket limiter = new MinimalisticTokenBucket(100, 100, 1000);

            long startMillis = System.currentTimeMillis();
            long consumed = 0;
            while (System.currentTimeMillis() - startMillis < 10000) {
                if (limiter.tryConsume(1)) {
                    consumed++;
                }
            }
            System.out.println(consumed);
        }

    }

}

以上是bucket4j给出的一个简单实现，用于理解token bucket算法。 这个算法没有采用线程去refill token，因为bucket太多的话，线程太多，耗cpu 这个算法没有存储每个period使用的token，设计了lastRefillTimestamp字段，用于计算需要填充的token 每次tryConsume的时候，方法内部首先调用refill，根据设定的速度以及时间差计算这个时间段需要补充的token，更新availableTokens以及lastRefillTimestamp 之后限流判断，就是判断availableTokens与请求的numberTokens

高性能限流器Guava RateLimiter

令牌桶算法，其核心是想通过限流器，必须拿到令牌。 只要我们能够限制发放令牌的速率，那么就能控制流速：

• 令牌以固定速率添加到令牌桶中，假设限流速率是 r/秒，则令牌每 1/r 秒会添加一个
• 假设令牌桶的容量是 b ，如果令牌桶已满，则新的令牌会被丢弃
• 请求能够通过限流器的前提是令牌桶中有令牌

b 其实是burst的简写，意义是限流器允许的最大突发流量。比如b=10，而且令牌桶中的令牌已满，此时限流器允许10个请求同时通过限流器，这只是突发流量，这10个请求会带走10个令牌，所以后续流量只能按照速率 r 通过限流器。

如何实现呢？基于生产者-消费者模式？

• 一个生产者线程定时向阻塞队列添加令牌
• 试图通过限流器的线程则作为消费者线程
• 只有从阻塞队列中获取到令牌，才允许通过限流器

设计看上去很完美，实现也简单，若并发量不大，这没有什么问题。可使用限流大部分都是高并发场景，而且系统压力已经临近极限了，此时这个实现就有问题了。 问题出在定时器，高并发下，系统压力已临近极限，定时器精度误差会很大，定时器本身还会创建调度线程，对系统性能影响极大。

所以Guava没有使用定时器，它是如何实现的呢？

Guava的令牌桶算法

关键是记录并动态计算下一令牌的发放时间。 假设令牌桶的容量为 b=1，限流速率 r = 1个请求/s。如下所示，若当前令牌桶无令牌，下一个令牌的发放时间是在第3s，而在第2s时，有个线程T1请求令牌，此时该如何处理？

• 线程T1请求令牌

对于该请求令牌的线程，很显然需要等待1s，1s以后（第3s）它就能拿到令牌。下一个令牌发放的时间也要增加1秒，因为第3s发放的令牌已被线程T1预占。

• 线程T1请求结束

假设T1在预占第3s令牌后，马上又有一个线程T2请求令牌

• 线程T2请求令牌

由于下一个令牌产生的时间是第4s，所以线程T2要等待2s，才能获取到令牌，同时由于T2预占第4s令牌，所以下一令牌产生时间还要增加1s

• 线程T2请求结束

线程T1、T2都是在下一令牌产生时间之前请求令牌，若线程在下一令牌产生时间之后请求令牌会咋样？ 假设在线程T1请求令牌之后的5秒，即第7秒，线程T3请求令牌，如下图所示。

• 线程T3请求令牌

由于第5s已产生一个令牌，所以此时线程T3可直接拿到令牌，无需等待。 在第7s，实际上限流器能产生3个令牌，第5、6、7秒各产生一个令牌。由于我们假设令牌桶的容量是1，所以第6、7秒产生的令牌就丢弃了，其实等价地你也可以认为是保留的第7秒的令牌，丢弃的第5、6秒的令牌，也就是说第7秒的令牌被线程T3占有了，于是下一令牌的的产生时间应该是第8秒

• 线程T3请求结束

所以我们只需要记录一个下一令牌产生的时间，并动态更新它。

依然假设令牌桶的容量是1。关键是reserve()方法，这个方法会为请求令牌的线程预分配令牌，同时返回该线程能够获取令牌的时间。其实现逻辑就是上面提到的：如果线程请求令牌的时间在下一令牌产生时间之后，那么该线程立刻就能够获取令牌；反之，如果请求时间在下一令牌产生时间之前，那么该线程是在下一令牌产生的时间获取令牌。由于此时下一令牌已经被该线程预占，所以下一令牌产生的时间需要加上1秒。

3 小结

token bucket算法，是基于QPS来限流，其简单的实现，就是计算单位时间补充token的速率，然后每次tryConsume的时候根据速率修正availableTokens。

参考

• https://github.com/vladimir-bukhtoyarov/bucket4j/blob/master/doc-pages/token-bucket-brief-overview.md
• https://en.wikipedia.org/wiki/Token_bucket