一文详解限流算法的实现方式

马哥Linux运维 2022-05-25 1867

描述

不依赖外部库的情况下，限流算法有什么实现的思路？本文介绍了3种实现限流的方式。

一、漏桶算法

算法思想 与令牌桶是“反向”的算法，当有请求到来时先放到木桶中，worker以固定的速度从木桶中取出请求进行相应。如果木桶已经满了，直接返回请求频率超限的错误码或者页面
适用场景
流量最均匀的限流方式，一般用于流量“整形”，例如保护数据库的限流。先把对数据库的访问加入到木桶中，worker再以db能够承受的qps从木桶中取出请求，去访问数据库。不太适合电商抢购和微博出现热点事件等场景的限流，一是应对突发流量不是很灵活，二是为每个user_id/ip维护一个队列(木桶)，workder从这些队列中拉取任务，资源的消耗会比较大。

go语言实现
通常使用队列来实现，在go语言中可以通过buffered channel来快速实现，任务加入channel，开启一定数量的worker从channel中获取任务执行。

package main
import ( "fmt" "sync" "time")
// 每个请求来了，把需要执行的业务逻辑封装成Task，放入木桶，等待worker取出执行type Task struct { handler func() Result // worker从木桶中取出请求对象后要执行的业务逻辑函数 resChan chan Result   // 等待worker执行并返回结果的channel taskID  int}
// 封装业务逻辑的执行结果type Result struct {}
// 模拟业务逻辑的函数func handler() Result { time.Sleep(300 * time.Millisecond) return Result{}}
func NewTask(id int) Task { return Task{  handler: handler,  resChan: make(chan Result),  taskID:  id, }}
// 漏桶type LeakyBucket struct { BucketSize int       // 木桶的大小 NumWorker  int       // 同时从木桶中获取任务执行的worker数量 bucket     chan Task // 存方任务的木桶}
func NewLeakyBucket(bucketSize int, numWorker int) *LeakyBucket { return &LeakyBucket{  BucketSize: bucketSize,  NumWorker:  numWorker,  bucket:     make(chan Task, bucketSize), }}
func (b *LeakyBucket) validate(task Task) bool { // 如果木桶已经满了，返回false select { case b.bucket <- task: default:  fmt.Printf("request[id=%d] is refused
", task.taskID)  return false }
 // 等待worker执行 <-task.resChan fmt.Printf("request[id=%d] is run
", task.taskID) return true}
func (b *LeakyBucket) Start() { // 开启worker从木桶拉取任务执行 go func() {  for i := 0; i < b.NumWorker; i++ {   go func() {    for {     task := <-b.bucket     result := task.handler()     task.resChan <- result    }   }()  } }()}
func main() { bucket := NewLeakyBucket(10, 4) bucket.Start()
 var wg sync.WaitGroup for i := 0; i < 20; i++ {  wg.Add(1)  go func(id int) {   defer wg.Done()   task := NewTask(id)   bucket.validate(task)  }(i) } wg.Wait()}

二、令牌桶算法

算法思想
想象有一个木桶，以固定的速度往木桶里加入令牌，木桶满了则不再加入令牌。服务收到请求时尝试从木桶中取出一个令牌，如果能够得到令牌则继续执行后续的业务逻辑；如果没有得到令牌，直接返回反问频率超限的错误码或页面等，不继续执行后续的业务逻辑

特点：由于木桶内只要有令牌，请求就可以被处理，所以令牌桶算法可以支持突发流量。同时由于往木桶添加令牌的速度是固定的，且木桶的容量有上限，所以单位时间内处理的请求书也能够得到控制，起到限流的目的。假设加入令牌的速度为 1token/10ms，桶的容量为500，在请求比较的少的时候（小于每10毫秒1个请求）时，木桶可以先"攒"一些令牌（最多500个）。当有突发流量时，一下把木桶内的令牌取空，也就是有500个在并发执行的业务逻辑，之后要等每10ms补充一个新的令牌才能接收一个新的请求。

参数设置：木桶的容量 - 考虑业务逻辑的资源消耗和机器能承载并发处理多少业务逻辑。生成令牌的速度 - 太慢的话起不到“攒”令牌应对突发流量的效果。

适用场景：
适合电商抢购或者微博出现热点事件这种场景，因为在限流的同时可以应对一定的突发流量。如果采用均匀速度处理请求的算法，在发生热点时间的时候，会造成大量的用户无法访问，对用户体验的损害比较大。

go语言实现：
假设每100ms生产一个令牌，按user_id/IP记录访问最近一次访问的时间戳 t_last 和令牌数，每次请求时如果 now - last > 100ms, 增加 (now - last) / 100ms个令牌。然后，如果令牌数 > 0，令牌数 -1 继续执行后续的业务逻辑，否则返回请求频率超限的错误码或页面。

package main
import ( "fmt" "sync" "time")
// 并发访问同一个user_id/ip的记录需要上锁var recordMu map[string]*sync.RWMutex
func init() { recordMu = make(map[string]*sync.RWMutex)}
func max(a, b int) int { if a > b {  return a } return b}
type TokenBucket struct { BucketSize int // 木桶内的容量：最多可以存放多少个令牌 TokenRate time.Duration // 多长时间生成一个令牌 records map[string]*record // 报错user_id/ip的访问记录}
// 上次访问时的时间戳和令牌数type record struct { last time.Time token int}
func NewTokenBucket(bucketSize int, tokenRate time.Duration) *TokenBucket { return &TokenBucket{  BucketSize: bucketSize,  TokenRate:  tokenRate,  records:    make(map[string]*record), }}
func (t *TokenBucket) getUidOrIp() string { // 获取请求用户的user_id或者ip地址 return "127.0.0.1"}
// 获取这个user_id/ip上次访问时的时间戳和令牌数func (t *TokenBucket) getRecord(uidOrIp string) *record { if r, ok := t.records[uidOrIp]; ok {  return r } return &record{}}
// 保存user_id/ip最近一次请求时的时间戳和令牌数量func (t *TokenBucket) storeRecord(uidOrIp string, r *record) { t.records[uidOrIp] = r}
// 验证是否能获取一个令牌func (t *TokenBucket) validate(uidOrIp string) bool { // 并发修改同一个用户的记录上写锁 rl, ok := recordMu[uidOrIp] if !ok {  var mu sync.RWMutex  rl = &mu  recordMu[uidOrIp] = rl } rl.Lock() defer rl.Unlock()
 r := t.getRecord(uidOrIp) now := time.Now() if r.last.IsZero() {  // 第一次访问初始化为最大令牌数  r.last, r.token = now, t.BucketSize } else {  if r.last.Add(t.TokenRate).Before(now) {   // 如果与上次请求的间隔超过了token rate   // 则增加令牌，更新last   r.token += max(int(now.Sub(r.last) / t.TokenRate), t.BucketSize)   r.last = now  } } var result bool if r.token > 0 {  // 如果令牌数大于1，取走一个令牌，validate结果为true  r.token--  result = true }
 // 保存最新的record t.storeRecord(uidOrIp, r) return result}
// 返回是否被限流func (t *TokenBucket) IsLimited() bool { return !t.validate(t.getUidOrIp())}
func main() { tokenBucket := NewTokenBucket(5, 100*time.Millisecond) for i := 0; i< 6; i++ {  fmt.Println(tokenBucket.IsLimited()) } time.Sleep(100 * time.Millisecond) fmt.Println(tokenBucket.IsLimited())}

三、滑动时间窗口算法

算法思想
滑动时间窗口算法，是从对普通时间窗口计数的优化。
使用普通时间窗口时，我们会为每个user_id/ip维护一个KV: uidOrIp: timestamp_requestCount。假设限制1秒1000个请求，那么第100ms有一个请求，这个KV变成 uidOrIp: timestamp_1，递200ms有1个请求，我们先比较距离记录的timestamp有没有超过1s，如果没有只更新count，此时KV变成 uidOrIp: timestamp_2。当第1100ms来一个请求时，更新记录中的timestamp并重置计数，KV变成 uidOrIp: newtimestamp_1
普通时间窗口有一个问题，假设有500个请求集中在前1s的后100ms，500个请求集中在后1s的前100ms，其实在这200ms没就已经请求超限了，但是由于时间窗每经过1s就会重置计数，就无法识别到此时的请求超限。
对于滑动时间窗口，我们可以把1ms的时间窗口划分成10个time slot, 每个time slot统计某个100ms的请求数量。每经过100ms，有一个新的time slot加入窗口，早于当前时间100ms的time slot出窗口。窗口内最多维护10个time slot，储存空间的消耗同样是比较低的。

适用场景
与令牌桶一样，有应对突发流量的能力

go语言实现
主要就是实现sliding window算法。可以参考Bilibili开源的kratos框架里circuit breaker用循环列表保存time slot对象的实现，他们这个实现的好处是不用频繁的创建和销毁time slot对象。下面给出一个简单的基本实现：

package main
import ( "fmt" "sync" "time")
var winMu map[string]*sync.RWMutex
func init() { winMu = make(map[string]*sync.RWMutex)}
type timeSlot struct { timestamp time.Time // 这个timeSlot的时间起点 count     int       // 落在这个timeSlot内的请求数}
func countReq(win []*timeSlot) int { var count int for _, ts := range win {  count += ts.count } return count}
type SlidingWindowLimiter struct { SlotDuration time.Duration // time slot的长度 WinDuration  time.Duration // sliding window的长度 numSlots     int           // window内最多有多少个slot windows      map[string][]*timeSlot maxReq       int // win duration内允许的最大请求数}
func NewSliding(slotDuration time.Duration, winDuration time.Duration, maxReq int) *SlidingWindowLimiter { return &SlidingWindowLimiter{  SlotDuration: slotDuration,  WinDuration:  winDuration,  numSlots:     int(winDuration / slotDuration),  windows:      make(map[string][]*timeSlot),  maxReq:       maxReq, }}
// 获取user_id/ip的时间窗口func (l *SlidingWindowLimiter) getWindow(uidOrIp string) []*timeSlot { win, ok := l.windows[uidOrIp] if !ok {  win = make([]*timeSlot, 0, l.numSlots) } return win}
func (l *SlidingWindowLimiter) storeWindow(uidOrIp string, win []*timeSlot) { l.windows[uidOrIp] = win}
func (l *SlidingWindowLimiter) validate(uidOrIp string) bool { // 同一user_id/ip并发安全 mu, ok := winMu[uidOrIp] if !ok {  var m sync.RWMutex  mu = &m  winMu[uidOrIp] = mu } mu.Lock() defer mu.Unlock()
 win := l.getWindow(uidOrIp) now := time.Now() // 已经过期的time slot移出时间窗 timeoutOffset := -1 for i, ts := range win {  if ts.timestamp.Add(l.WinDuration).After(now) {   break  }  timeoutOffset = i } if timeoutOffset > -1 {  win = win[timeoutOffset+1:] }
 // 判断请求是否超限 var result bool if countReq(win) < l.maxReq {  result = true }
 // 记录这次的请求数 var lastSlot *timeSlot if len(win) > 0 {  lastSlot = win[len(win)-1]  if lastSlot.timestamp.Add(l.SlotDuration).Before(now) {   lastSlot = &timeSlot{timestamp: now, count: 1}   win = append(win, lastSlot)  } else {   lastSlot.count++  } } else {  lastSlot = &timeSlot{timestamp: now, count: 1}  win = append(win, lastSlot) }
 l.storeWindow(uidOrIp, win)
 return result}
func (l *SlidingWindowLimiter) getUidOrIp() string { return "127.0.0.1"}
func (l *SlidingWindowLimiter) IsLimited() bool { return !l.validate(l.getUidOrIp())}
func main() { limiter := NewSliding(100*time.Millisecond, time.Second, 10) for i := 0; i < 5; i++ {  fmt.Println(limiter.IsLimited()) } time.Sleep(100 * time.Millisecond) for i := 0; i < 5; i++ {  fmt.Println(limiter.IsLimited()) } fmt.Println(limiter.IsLimited()) for _, v := range limiter.windows[limiter.getUidOrIp()] {  fmt.Println(v.timestamp, v.count) }
 fmt.Println("a thousand years later...") time.Sleep(time.Second) for i := 0; i < 7; i++ {  fmt.Println(limiter.IsLimited()) } for _, v := range limiter.windows[limiter.getUidOrIp()] {  fmt.Println(v.timestamp, v.count) }}

原文标题：几种限流算法的go语言实现

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审核编辑：汤梓红

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