服务接口API限流 Rate Limit

一、场景描述

很多做服务接口的人或多或少的遇到这样的场景，由于业务应用系统的负载能力有限，为了防止非预期的请求对系统压力过大而拖垮业务应用系统。

也就是面对大流量时，如何进行流量控制？

服务接口的流量控制策略：分流、降级、限流等。本文讨论下限流策略，虽然降低了服务接口的访问频率和并发量，却换取服务接口和业务应用系统的高可用。

实际场景中常用的限流策略：

Nginx前端限流

按照一定的规则如帐号、IP、系统调用逻辑等在Nginx层面做限流

业务应用系统限流

1、客户端限流

2、服务端限流

数据库限流

红线区，力保数据库

二、常用的限流算法

常用的限流算法由：楼桶算法和令牌桶算法。本文不具体的详细说明两种算法的原理，原理会在接下来的文章中做说明。

1、漏桶算法

漏桶(Leaky Bucket)算法思路很简单,水(请求)先进入到漏桶里,漏桶以一定的速度出水(接口有响应速率),当水流入速度过大会直接溢出(访问频率超过接口响应速率),然后就拒绝请求,可以看出漏桶算法能强行限制数据的传输速率.示意图如下:

可见这里有两个变量,一个是桶的大小,支持流量突发增多时可以存多少的水(burst),另一个是水桶漏洞的大小(rate)。

因为漏桶的漏出速率是固定的参数,所以,即使网络中不存在资源冲突(没有发生拥塞),漏桶算法也不能使流突发(burst)到端口速率.因此,漏桶算法对于存在突发特性的流量来说缺乏效率.

2、令牌桶算法

令牌桶算法(Token Bucket)和 Leaky Bucket 效果一样但方向相反的算法,更加容易理解.随着时间流逝,系统会按恒定1/QPS时间间隔(如果QPS=100,则间隔是10ms)往桶里加入Token(想象和漏洞漏水相反,有个水龙头在不断的加水),如果桶已经满了就不再加了.新请求来临时,会各自拿走一个Token,如果没有Token可拿了就阻塞或者拒绝服务.

　　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.

三、基于Redis功能的实现

简陋的设计思路：假设一个用户（用IP判断）每分钟访问某一个服务接口的次数不能超过10次，那么我们可以在Redis中创建一个键，并此时我们就设置键的过期时间为60秒，每一个用户对此服务接口的访问就把键值加1，在60秒内当键值增加到10的时候，就禁止访问服务接口。在某种场景中添加访问时间间隔还是很有必要的。

1）使用Redis的incr命令，将计数器作为Lua脚本

1 local current
2 current = redis.call("incr",KEYS[1])
3 if tonumber(current) == 1 then
4     redis.call("expire",KEYS[1],1)
5 end

Lua脚本在Redis中运行，保证了incr和expire两个操作的原子性。

2）使用Reids的列表结构代替incr命令

 1 FUNCTION LIMIT_API_CALL(ip)
 2 current = LLEN(ip)
 3 IF current > 10 THEN
 4     ERROR "too many requests per second"
 5 ELSE
 6     IF EXISTS(ip) == FALSE
 7         MULTI
 8             RPUSH(ip,ip)
 9             EXPIRE(ip,1)
10         EXEC
11     ELSE
12         RPUSHX(ip,ip)
13     END
14     PERFORM_API_CALL()
15 END

Rate Limit使用Redis的列表作为容器，LLEN用于对访问次数的检查，一个事物中包含了RPUSH和EXPIRE两个命令，用于在第一次执行计数是创建列表并设置过期时间，

RPUSHX在后续的计数操作中进行增加操作。

四、基于令牌桶算法的实现

令牌桶算法可以很好的支撑突然额流量的变化即满令牌桶数的峰值。

  1 import java.io.BufferedWriter;
  2 import java.io.FileOutputStream;
  3 import java.io.IOException;
  4 import java.io.OutputStreamWriter;
  5 import java.util.Random;
  6 import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
  7 import java.util.concurrent.Executors;
  8 import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
  9 import java.util.concurrent.TimeUnit;
 10 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
 11  
 12 import com.google.common.base.Preconditions;
 13 import com.netease.datastream.util.framework.LifeCycle;
 14  
 15
 20 public class TokenBucket implements LifeCycle {
 21  
 22 // 默认桶大小个数 即最大瞬间流量是64M
 23  private static final int DEFAULT_BUCKET_SIZE = 1024 * 1024 * 64;
 24  
 25 // 一个桶的单位是1字节
 26  private int everyTokenSize = 1;
 27  
 28 // 瞬间最大流量
 29  private int maxFlowRate;
 30  
 31 // 平均流量
 32  private int avgFlowRate;
 33  
 34 // 队列来缓存桶数量：最大的流量峰值就是 = everyTokenSize*DEFAULT_BUCKET_SIZE 64M = 1 * 1024 * 1024 * 64
 35  private ArrayBlockingQueue<Byte> tokenQueue = new ArrayBlockingQueue<Byte>(DEFAULT_BUCKET_SIZE);
 36  
 37 private ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
 38  
 39 private volatile boolean isStart = false;
 40  
 41 private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
 42  
 43 private static final byte A_CHAR = 'a';
 44  
 45 public TokenBucket() {
 46  }
 47  
 48 public TokenBucket(int maxFlowRate, int avgFlowRate) {
 49  this.maxFlowRate = maxFlowRate;
 50  this.avgFlowRate = avgFlowRate;
 51  }
 52  
 53 public TokenBucket(int everyTokenSize, int maxFlowRate, int avgFlowRate) {
 54  this.everyTokenSize = everyTokenSize;
 55  this.maxFlowRate = maxFlowRate;
 56  this.avgFlowRate = avgFlowRate;
 57  }
 58  
 59 public void addTokens(Integer tokenNum) {
 60  
 61 // 若是桶已经满了，就不再家如新的令牌
 62  for (int i = 0; i < tokenNum; i++) {
 63  tokenQueue.offer(Byte.valueOf(A_CHAR));
 64  }
 65  }
 66  
 67 public TokenBucket build() {
 68  
 69 start();
 70  return this;
 71  }
 72  
 73 /**
 74  * 获取足够的令牌个数
 75  *
 76  * @return
 77  */
 78  public boolean getTokens(byte[] dataSize) {
 79  
 80 Preconditions.checkNotNull(dataSize);
 81  Preconditions.checkArgument(isStart, "please invoke start method first !");
 82  
 83 int needTokenNum = dataSize.length / everyTokenSize + 1;// 传输内容大小对应的桶个数
 84  
 85 final ReentrantLock lock = this.lock;
 86  lock.lock();
 87  try {
 88  boolean result = needTokenNum <= tokenQueue.size(); // 是否存在足够的桶数量
 89  if (!result) {
 90  return false;
 91  }
 92  
 93 int tokenCount = 0;
 94  for (int i = 0; i < needTokenNum; i++) {
 95  Byte poll = tokenQueue.poll();
 96  if (poll != null) {
 97  tokenCount++;
 98  }
 99  }
100  
101 return tokenCount == needTokenNum;
102  } finally {
103  lock.unlock();
104  }
105  }
106  
107 @Override
108  public void start() {
109  
110 // 初始化桶队列大小
111  if (maxFlowRate != 0) {
112  tokenQueue = new ArrayBlockingQueue<Byte>(maxFlowRate);
113  }
114  
115 // 初始化令牌生产者
116  TokenProducer tokenProducer = new TokenProducer(avgFlowRate, this);
117  scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(tokenProducer, 0, 1, TimeUnit.SECONDS);
118  isStart = true;
119  
120 }
121  
122 @Override
123  public void stop() {
124  isStart = false;
125  scheduledExecutorService.shutdown();
126  }
127  
128 @Override
129  public boolean isStarted() {
130  return isStart;
131  }
132  
133 class TokenProducer implements Runnable {
134  
135 private int avgFlowRate;
136  private TokenBucket tokenBucket;
137  
138 public TokenProducer(int avgFlowRate, TokenBucket tokenBucket) {
139  this.avgFlowRate = avgFlowRate;
140  this.tokenBucket = tokenBucket;
141  }
142  
143 @Override
144  public void run() {
145  tokenBucket.addTokens(avgFlowRate);
146  }
147  }
148  
149 public static TokenBucket newBuilder() {
150  return new TokenBucket();
151  }
152  
153 public TokenBucket everyTokenSize(int everyTokenSize) {
154  this.everyTokenSize = everyTokenSize;
155  return this;
156  }
157  
158 public TokenBucket maxFlowRate(int maxFlowRate) {
159  this.maxFlowRate = maxFlowRate;
160  return this;
161  }
162  
163 public TokenBucket avgFlowRate(int avgFlowRate) {
164  this.avgFlowRate = avgFlowRate;
165  return this;
166  }
167  
168 private String stringCopy(String data, int copyNum) {
169  
170 StringBuilder sbuilder = new StringBuilder(data.length() * copyNum);
171  
172 for (int i = 0; i < copyNum; i++) {
173  sbuilder.append(data);
174  }
175  
176 return sbuilder.toString();
177  
178 }
179  
180 public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
181  
182 tokenTest();
183  }
184  
185 private static void arrayTest() {
186  ArrayBlockingQueue<Integer> tokenQueue = new ArrayBlockingQueue<Integer>(10);
187  tokenQueue.offer(1);
188  tokenQueue.offer(1);
189  tokenQueue.offer(1);
190  System.out.println(tokenQueue.size());
191  System.out.println(tokenQueue.remainingCapacity());
192  }
193  
194 private static void tokenTest() throws InterruptedException, IOException {
195  TokenBucket tokenBucket = TokenBucket.newBuilder().avgFlowRate(512).maxFlowRate(1024).build();
196  
197 BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(new FileOutputStream("/tmp/ds_test")));
198  String data = "xxxx";// 四个字节
199  for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
200  
201 Random random = new Random();
202  int i1 = random.nextInt(100);
203  boolean tokens = tokenBucket.getTokens(tokenBucket.stringCopy(data, i1).getBytes());
204  TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
205  if (tokens) {
206  bufferedWriter.write("token pass --- index:" + i1);
207  System.out.println("token pass --- index:" + i1);
208  } else {
209  bufferedWriter.write("token rejuect --- index" + i1);
210  System.out.println("token rejuect --- index" + i1);
211  }
212  
213 bufferedWriter.newLine();
214  bufferedWriter.flush();
215  }
216  
217 bufferedWriter.close();
218  }
219  
220 }

服务接口API限流 Rate Limit

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