关于限流算法的几个问题
本文来说下关于限流算法的几个问题
文章目录
- 概述
- 限流是什么
- 常见的限流算法
-
- 固定窗口限流算法
- 滑动窗口限流算法
- 漏桶算法
- 令牌桶算法
- 限流算法的对比
- 本文小结
概述
经常乘坐北京西二旗地铁或者在北京西站乘坐的时候经常会遇到一种情况就是如果人很多，地铁的工作人员拿个小牌前面一档让你等会儿再检票，这就是实际生活应对人流量巨大的措施。
在开发高并发系统时，有三把利器用来保护系统：缓存、降级和限流。那么何为限流呢？顾名思义，限流就是限制流量，就像你宽带包了1个G的流量，用完了就没了。通过限流，我们可以很好地控制系统的qps，从而达到保护系统的目的。
限流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。
最近，我们的业务系统引入了Guava的RateLimiter限流组件，它是基于令牌桶算法实现的，而令牌桶是非常经典的限流算法。本文将跟大家一起学习几种经典的限流算法。
限流是什么
维基百科的概念如下：In computer networks, rate limiting is used to control the rate of requests sent or received by a network interface controller. It can be used to prevent DoS attacks and limit web scraping
简单翻译一下：在计算机网络中，限流就是控制网络接口发送或接收请求的速率，它可防止DoS攻击和限制Web爬虫。
限流，也称流量控制。是指系统在面临高并发，或者大流量请求的情况下，限制新的请求对系统的访问，从而保证系统的稳定性。限流会导致部分用户请求处理不及时或者被拒，这就影响了用户体验。所以一般需要在系统稳定和用户体验之间平衡一下。举个生活的例子：
一些热门的旅游景区，一般会对每日的旅游参观人数有限制的。每天只会卖出固定数目的门票，比如10000张。假设在五一、国庆假期，你去晚了，可能当天的票就已经卖完了，就无法进去游玩了。即使你进去了，排队也能排到你怀疑人生。
常见的限流算法
固定窗口限流算法
首先维护一个计数器，将单位时间段当做一个窗口，计数器记录这个窗口接收请求的次数。
- 当次数少于限流阀值，就允许访问，并且计数器+1
- 当次数大于限流阀值，就拒绝访问。
- 当前的时间窗口过去之后，计数器清零。
假设单位时间是1秒，限流阀值为3。在单位时间1秒内，每来一个请求,计数器就加1，如果计数器累加的次数超过限流阀值3，后续的请求全部拒绝。等到1s结束后，计数器清0，重新开始计数。如下图：
伪代码如下：
/**
* 固定窗口时间算法
* @return
*/
boolean fixedWindowsTryAcquire() {
long currentTime = System.currentTimeMillis(); //获取系统当前时间
if (currentTime - lastRequestTime > windowUnit) { //检查是否在时间窗口内
counter = 0; // 计数器清0
lastRequestTime = currentTime; //开启新的时间窗口
}
if (counter < threshold) { // 小于阀值
counter++; //计数器加1
return true;
}
return false;
}
但是，这种算法有一个很明显的临界问题：假设限流阀值为5个请求，单位时间窗口是1s,如果我们在单位时间内的前0.8-1s和1-1.2s，分别并发5个请求。虽然都没有超过阀值，但是如果算0.8-1.2s,则并发数高达10，已经超过单位时间1s不超过5阀值的定义啦。
滑动窗口限流算法
滑动窗口限流解决固定窗口临界值的问题。它将单位时间周期分为n个小周期，分别记录每个小周期内接口的访问次数，并且根据时间滑动删除过期的小周期。
一张图解释滑动窗口算法，如下：
假设单位时间还是1s，滑动窗口算法把它划分为5个小周期，也就是滑动窗口（单位时间）被划分为5个小格子。每格表示0.2s。每过0.2s，时间窗口就会往右滑动一格。然后呢，每个小周期，都有自己独立的计数器，如果请求是0.83s到达的，0.8~1.0s对应的计数器就会加1。
我们来看下滑动窗口是如何解决临界问题的？
假设我们1s内的限流阀值还是5个请求，0.8-1.0s内（比如0.9s的时候）来了5个请求，落在黄色格子里。时间过了1.0s这个点之后，又来5个请求，落在紫色格子里。如果是固定窗口算法，是不会被限流的，但是滑动窗口的话，每过一个小周期，它会右移一个小格。过了1.0s这个点后，会右移一小格，当前的单位时间段是0.2~1.2s，这个区域的请求已经超过限定的5了，已触发限流啦，实际上，紫色格子的请求都被拒绝啦。
TIPS: 当滑动窗口的格子周期划分的越多，那么滑动窗口的滚动就越平滑，限流的统计就会越精确。
滑动窗口算法伪代码实现如下：
/**
* 单位时间划分的小周期（单位时间是1分钟，10s一个小格子窗口，一共6个格子）
*/
private int SUB_CYCLE = 10;
/**
* 每分钟限流请求数
*/
private int thresholdPerMin = 100;
/**
* 计数器, k-为当前窗口的开始时间值秒，value为当前窗口的计数
*/
private final TreeMap<Long, Integer> counters = new TreeMap<>();
/**
* 滑动窗口时间算法实现
*/
boolean slidingWindowsTryAcquire() {
//获取当前时间在哪个小周期窗口
long currentWindowTime = LocalDateTime.now().toEpochSecond(ZoneOffset.UTC) / SUB_CYCLE * SUB_CYCLE;
int currentWindowNum = countCurrentWindow(currentWindowTime); //当前窗口总请求数
//超过阀值限流
if (currentWindowNum >= thresholdPerMin) {
return false;
}
//计数器+1
counters.get(currentWindowTime)++;
return true;
}
/**
* 统计当前窗口的请求数
*/
private int countCurrentWindow(long currentWindowTime) {
//计算窗口开始位置
long startTime = currentWindowTime - SUB_CYCLE* (60s/SUB_CYCLE-1);
int count = 0;
//遍历存储的计数器
Iterator<Map.Entry<Long, Integer>> iterator = counters.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
Map.Entry<Long, Integer> entry = iterator.next();
// 删除无效过期的子窗口计数器
if (entry.getKey() < startTime) {
iterator.remove();
} else {
//累加当前窗口的所有计数器之和
count =count + entry.getValue();
}
}
return count;
}
滑动窗口算法虽然解决了固定窗口的临界问题，但是一旦到达限流后，请求都会直接暴力被拒绝。酱紫我们会损失一部分请求，这其实对于产品来说，并不太友好。
漏桶算法
漏桶算法面对限流，就更加的柔性，不存在直接的粗暴拒绝。它的原理很简单，可以认为就是注水漏水的过程。往漏桶中以任意速率流入水，以固定的速率流出水。当水超过桶的容量时，会被溢出，也就是被丢弃。因为桶容量是不变的，保证了整体的速率。
- 流入的水滴，可以看作是访问系统的请求，这个流入速率是不确定的。
- 桶的容量一般表示系统所能处理的请求数。
- 如果桶的容量满了，就达到限流的阀值，就会丢弃水滴（拒绝请求）
- 流出的水滴，是恒定过滤的，对应服务按照固定的速率处理请求。
漏桶算法伪代码实现如下：
/**
* 每秒处理数（出水率）
*/
private long rate;
/**
* 当前剩余水量
*/
private long currentWater;
/**
* 最后刷新时间
*/
private long refreshTime;
/**
* 桶容量
*/
private long capacity;
/**
* 漏桶算法
* @return
*/
boolean leakybucketLimitTryAcquire() {
long currentTime = System.currentTimeMillis(); //获取系统当前时间
long outWater = (currentTime - refreshTime) / 1000 * rate; //流出的水量 =(当前时间-上次刷新时间)* 出水率
long currentWater = Math.max(0, currentWater - outWater); // 当前水量 = 之前的桶内水量-流出的水量
refreshTime = currentTime; // 刷新时间
// 当前剩余水量还是小于桶的容量，则请求放行
if (currentWater < capacity) {
currentWater++;
return true;
}
// 当前剩余水量大于等于桶的容量，限流
return false;
}
在正常流量的时候，系统按照固定的速率处理请求，是我们想要的。但是面对突发流量的时候，漏桶算法还是循规蹈矩地处理请求，这就不是我们想看到的啦。流量变突发时，我们肯定希望系统尽量快点处理请求，提升用户体验嘛。
令牌桶算法
面对突发流量的时候，我们可以使用令牌桶算法限流。
令牌桶算法原理：
- 有一个令牌管理员，根据限流大小，定速往令牌桶里放令牌。
- 如果令牌数量满了，超过令牌桶容量的限制，那就丢弃。
- 系统在接受到一个用户请求时，都会先去令牌桶要一个令牌。如果拿到令牌，那么就处理这个请求的业务逻辑；
- 如果拿不到令牌，就直接拒绝这个请求。
漏桶算法伪代码实现如下：
/**
* 每秒处理数（放入令牌数量）
*/
private long putTokenRate;
/**
* 最后刷新时间
*/
private long refreshTime;
/**
* 令牌桶容量
*/
private long capacity;
/**
* 当前桶内令牌数
*/
private long currentToken = 0L;
/**
* 漏桶算法
* @return
*/
boolean tokenBucketTryAcquire() {
long currentTime = System.currentTimeMillis(); //获取系统当前时间
//生成的令牌 =(当前时间-上次刷新时间)* 放入令牌的速率
long generateToken = (currentTime - refreshTime) / 1000 * putTokenRate;
// 当前令牌数量 = 之前的桶内令牌数量+放入的令牌数量
currentToken = Math.min(capacity, generateToken + currentToken);
refreshTime = currentTime; // 刷新时间
//桶里面还有令牌，请求正常处理
if (currentToken > 0) {
currentToken--; //令牌数量-1
return true;
}
return false;
}
如果令牌发放的策略正确，这个系统即不会被拖垮，也能提高机器的利用率。Guava的RateLimiter限流组件，就是基于令牌桶算法实现的。
限流算法的对比
计数器VS滑动窗口
计数器算法是最简单的算法，可以看成是滑动窗口的低精度实现。滑动窗口由于需要存储多份的计数器(每一个格子存一份），所以滑动窗口在实现上需要更多的存储空间。也就是说，如果滑动窗口的精度越高，需要的存储空间就越大。
漏桶算法VS令牌桶算法
漏桶算法和令牌桶算法最明显的区别是令牌桶算法允许流量一定程度的突发。因为默认的令牌桶算法，取走token是不需要耗费时间的，也就是说，假设桶内有100个token时，那么可以瞬间允许100个请求通过。令牌桶算法由于实现简单，且允许某些流量的突发，对用户友好，所以被业界采用地较多。当然我们需要具体情况具体分析，只有最合适的算法，没有最优的算法。
本文小结
本文详细介绍了限流相关的知识与内容，这也是解决大流量的利器之一。