令牌桶算法原理

token_bucket令牌桶算法原理

讲在原理之前

我们今天主要是分析令牌桶算法，分析之前我们先介绍一下使用该算法的背景。

限流

每个API接口都是有访问上限的,当访问频率或者并发量超过其承受范围时候,我们就必须考虑限流来保证接口的可用性或者降级可用性.即接口也需要安装上保险丝,以防止非预期的请求对系统压力过大而引起的系统瘫痪.

通常的策略就是拒绝多余的访问,或者让多余的访问排队等待服务,或者引流.

如果要准确的控制QPS,简单的做法是维护一个单位时间内的Counter,如判断单位时间已经过去,则将Counter重置零.此做法被认为没有很好的处理单位时间的边界,比如在前一秒的最后一毫秒里和下一秒的第一毫秒都触发了最大的请求数,将目光移动一下,就看到在两毫秒内发生了两倍的QPS.

总的来说，限流就是可以认为服务降级的一种，限流就是限制系统的输入和输出流量已达到保护系统的目的。一般来说系统的吞吐量是可以被测算的，为了保证系统的稳定运行，一旦达到的需要限制的阈值，就需要限制流量并采取一些措施以完成限制流量的目的。比如：延迟处理，拒绝处理，或者部分拒绝处理等等。
常见的限流算法有漏桶算法和令牌桶算法，今天我们主要来看令牌桶算法。

令牌桶算法

算法简介

令牌桶算法是网络流量整形（Traffic Shaping）和速率限制（Rate Limiting）中最常使用的一种算法。典型情况下，令牌桶算法用来控制发送到网络上的数据的数目，并允许突发数据的发送。

算法原理

令牌桶算法的原理是系统会以一个恒定的速度往桶里放入令牌，而如果请求需要被处理，则需要先从桶里获取一个令牌，当桶里没有令牌可取时，则拒绝服务。 当桶满时，新添加的令牌被丢弃或拒绝。
　令牌桶算法是一个存放固定容量令牌（token）的桶，按照固定速率往桶里添加令牌。令牌桶算法基本可以用下面的几个概念来描述：

• 令牌将按照固定的速率被放入令牌桶中。比如每秒放10个。
• 桶中最多存放b个令牌，当桶满时，新添加的令牌被丢弃或拒绝。
• 当一个n个字节大小的数据包到达，将从桶中删除n个令牌，接着数据包被发送到网络上。
• 如果桶中的令牌不足n个，则不会删除令牌，且该数据包将被限流（要么丢弃，要么缓冲区等待）。

如下示意图：

通俗的理解，令牌桶是一个水桶，而令牌是通过一根水管流到水桶中的水。
令牌桶的填满时间，是由桶的自身容量、令牌漏出速率（桶下面的水管）、超过平均速率的突发流量持续的时间三个方面共同决定的。如果突发流量的时间比较短，令牌桶不会溢出，在通信流上不会受到影响，如果突发流量比较大，时间比较长，那令牌桶就会溢出，多余的通信流就会被限制。
令牌桶的另外一个好处是可以方便的改变速度. 一旦需要提高速率,则按需提高放入桶中的令牌的速率. 一般会定时(比如100毫秒)往桶中增加一定数量的令牌, 有些变种算法则实时的计算应该增加的令牌的数量.