高并发场景下常见的限流算法及方案介绍

作者：京东科技 康志兴

应用场景

现代互联网很多业务场景，比如秒杀、下单、查询商品详情，最大特点就是高并发，而往往我们的系统不能承受这么大的流量，继而产生了很多的应对措施：CDN、消息队列、多级缓存、异地多活。

但是无论如何优化，终究由硬件的物理特性决定了我们系统性能的上限，如果强行接收所有请求，往往造成雪崩。

这时候限流熔断就发挥作用了，限制请求数，快速失败，保证系统满负载又不超限。

极致的优化，就是将硬件使用率提高到100%，但永远不会超过100%

常用限流算法

1. 计数器

直接计数，简单暴力，举个例子：

比如限流设定为1小时内10次，那么每次收到请求就计数加一，并判断这一小时内计数是否大于上限10，没超过上限就返回成功，否则返回失败。

这个算法的缺点就是在时间临界点会有较大瞬间流量。

继续上面的例子，理想状态下，请求匀速进入，系统匀速处理请求：

但实际情况中，请求往往不是匀速进入，假设第n小时59分59秒的时候突然进入10个请求，全部请求成功，到达下一个时间区间时刷新计数。那么第n+1小时刚开始又打进10个请求，等于瞬间进入20个请求，肯定不符合“1小时10次”的规则，这种现象叫做“突刺现象”。

为解决这个问题，计数器算法经过优化后，产生了滑动窗口算法：

我们将时间间隔均匀分隔，比如将一分钟分为6个10秒，每一个10秒内单独计数，总的数量限制为这6个10秒的总和，我们把这6个10秒成为“窗口”。

那么每过10秒，窗口往前滑动一步，数量限制变为新的6个10秒的总和，如图所示：

那么如果在临界时，收到10个请求（图中灰色格子），在下一个时间段来临时，橙色部分又进入10个请求，但窗口内包含灰色部分，所以已经到达请求上线，不再接收新的请求。

这就是滑动窗口算法。

但是滑动窗口仍然有缺陷，为了保证匀速，我们要划分尽可能多的格子，而格子越多，每一个格子能够接收的请求数就越少，这样就限制了系统瞬间处理能力。

2. 漏桶

漏桶算法其实也很简单，假设我们有一个固定容量的桶，流速（系统处理能力）固定，如果一段时间水龙头水流太大，水就溢出了（请求被抛弃了）。

用编程的语言来说，每次请求进来都放入一个先进先出的队列中，队列满了，则直接返回失败。另外有一个线程池固定间隔不断地从这个队列中拉取请求。

消息队列、jdk的线程池，都有类似的设计。

3. 令牌桶

令牌桶算法比漏桶算法稍显复杂。

首先，我们有一个固定容量的桶，桶里存放着令牌（token）。桶一开始是空的，token以一个固定的速率往桶里填充，直到达到桶的容量，多余的令牌将会被丢弃。每当一个请求过来时，就会尝试从桶里移除一个令牌，如果没有令牌的话，请求无法通过。

漏桶和令牌桶算法的区别：

漏桶的特点是消费能力固定，当请求量超出消费能力时，提供一定的冗余能力，把请求缓存下来匀速消费。优点是对下游保护更好。

令牌桶遇到激增流量会更从容，只要存在令牌，则可以一并消费掉。适合有突发特征的流量，如秒杀场景。

限流方案

一、容器限流

1. Tomcat

tomcat能够配置连接器的最大线程数属性，该属性maxThreads是Tomcat的最大线程数，当请求的并发大于maxThreads时，请求就会排队执行(排队数设置：accept-count)，这样就完成了限流的目的。

<Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"
          connectionTimeout="20000"
          maxThreads="150"
          redirectPort="8443" />

2. Nginx

Nginx 提供了两种限流手段：一是控制速率，二是控制并发连接数。

• 控制速率

  我们需要使用 limit_req_zone配置来限制单位时间内的请求数，即速率限制，示例配置如下：

  limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
  

  第一个参数：$binary_remote_addr 表示通过remote_addr这个标识来做限制，“binary_”的目的是缩写内存占用量，是限制同一客户端ip地址。

  第二个参数：zone=mylimit:10m表示生成一个大小为10M，名字为one的内存区域，用来存储访问的频次信息。

  第三个参数：rate=2r/s表示允许相同标识的客户端的访问频次，这里限制的是每秒2次，还可以有比如30r/m的。

• 并发连接数

  利用 limit_conn_zone 和 limit_conn 两个指令即可控制并发数，示例配置如下

  limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=perip:10m;
  limit_conn_zone $server_name zone=perserver:10m;
  server {   
      ...
      limit_conn perip 10; # 限制同一个客户端ip
      limit_conn perserver 100;
  }
  

只有当 request header 被后端处理后，这个连接才进行计数

二、服务端限流

1. Semaphore

JUC包中提供的信号量工具，它的内部维护了一个同步队列，我们可以在每个请求进来的时候，尝试获取信号量，获取不到可以阻塞或者快速失败

简单样例：

Semaphore sp = new Semaphore(3);
sp.require(); // 阻塞获取
System.out.println("执行业务逻辑");
sp.release();

2. RateLimiter

Guava中基于令牌桶实现的一个限流工具，使用非常简单，通过方法create()创建一个桶，然后通过acquire()或者tryAcquire()获取令牌：

RateLimiter rateLimiter = RateLimiter.create(5); // 初始化令牌桶，每秒往桶里存放5个令牌
rateLimiter.acquire(); // 自旋阻塞获取令牌，返回阻塞的时间，单位为秒
rateLimiter.tryAcquire(); // 获取令牌，返回布尔结果，超过超时时间（默认为0，单位为毫秒）则返回失败

RateLimiter在实现时，允许暴增请求的突发情况存在。

举个例子，我们有一个速率为每秒5个令牌的RateLimiter：

当令牌桶空了的时候，如果继续获取一个令牌，那么会在下一次补充令牌的时候返回结果

但如果直接获取5个令牌，并不是等待桶内补齐5个令牌后再返回，而是仍旧会在令牌桶补充下一个令牌的时候直接返回，而预支令牌所需的补充时间会在下一次请求时进行补偿

public void testSmoothBursty() {
    RateLimiter r = RateLimiter.create(5);
    for (int i = 0; i++ < 2; ) {       
        System.out.println("get 5 tokens: " + r.acquire(5) + "s");
        System.out.println("get 1 tokens: " + r.acquire(1) + "s");
        System.out.println("get 1 tokens: " + r.acquire(1) + "s");
        System.out.println("get 1 tokens: " + r.acquire(1) + "s");
        System.out.println("end");
    }
}

/**
* 控制台输出
* get 5 tokens: 0.0s	  初始化时桶是空的，直接从空桶获取5个令牌
* get 1 tokens: 0.998068s 滞后效应，需要替前一个请求进行等待
* get 1 tokens: 0.196288s
* get 1 tokens: 0.200391s
* end
* get 5 tokens: 0.195756s
* get 1 tokens: 0.995625s 滞后效应，需要替前一个请求进行等待
* get 1 tokens: 0.194603s
* get 1 tokens: 0.196866s
* end
*/

3. Hystrix

Netflix开源的熔断组件，支持两种资源隔离策略：THREAD（默认）或者SEMAPHORE

• 线程池：每个command运行在一个线程中，限流是通过线程池的大小来控制的

• 信号量：command是运行在调用线程中，但是通过信号量的容量来进行限流

线程池策略对每一个资源创建一个线程池以进行流量管控，优点是资源隔离彻底，缺点是容易造成资源碎片化。

使用样例：

// HelloWorldHystrixCommand要使用Hystrix功能 
public class HelloWorldHystrixCommand extends HystrixCommand {  
    private final String name; 
    public HelloWorldHystrixCommand(String name) {   
        super(HystrixCommandGroupKey.Factory.asKey("ExampleGroup"));     
        this.name = name; 
    } 
    // 如果继承的是HystrixObservableCommand，要重写Observable construct() 
    @Override 
    protected String run() {     
        return "Hello " + name; 
    } 
} 

调用该command：

String result = new HelloWorldHystrixCommand("HLX").execute();
System.out.println(result);  // 打印出Hello HLX 

Hystrix已经在2018年停止开发，官方推荐替代项目Resilience4j

更多使用介绍可查看：Hystrix熔断器的使用

4. Sentinel

阿里开源的限流熔断组件，底层统计采用滑动窗口算法，限流方面有两种使用方式：API调用和注解，内部采插槽链来统计和执行校验规则。

通过为方法增加注解@SentinelResource(String name)或者手动调用SphU.entry(String name)方法开启流控。

使用API手动调用流控示例：

@Test
public void testRule() {
    // 配置规则.
    initFlowRules();
    int count = 0;
    while (true) {
        try (Entry entry = SphU.entry("HelloWorld")) {
            // 被保护的逻辑
            System.out.println("run " + ++count + " times");
        } catch (BlockException ex) {
            // 处理被流控的逻辑
            System.out.println("blocked after " + count);
            break;
        }
    }
}

// 输出结果：
// run 1 times
// run 2 times
// run 3 times

关于Sentinel的详细介绍可查看：Sentinel-分布式系统的流量哨兵

三、分布式下限流方案

线上环境下，如果对共用资源（如数据库、下游服务）做统一流量限制，那么单机限流显然不能满足，而需要分布式流控方案。

分布式限流主要采取中心系统流量管控的方案，由一个中心系统统一管控流量配额。

这种方案的缺点就是中心系统的可靠性，所以一般需要备用方案，在中心系统不可用时，退化为单机流控。

1. Tair通过incr方法实现简单窗口

实现方式是使用incr()自增方法来计数并与阈值进行大小比较。

public boolean tryAcquire(String key) {
    // 以秒为单位构建tair的key
    String wrappedKey = wrapKey(key);
    // 每次请求+1，初始值为0，key的有效期设置5s
    Result<Integer> result = tairManager.incr(NAMESPACE, wrappedKey, 1, 0, 5);
    return result.isSuccess() && result.getValue() <= threshold;
}

private String wrapKey(String key) {
    long sec = System.currentTimeMillis() / 1000L;
    return key + ":" + sec;
}

【备注】incr方法的参数说明

// 方法定义：
Result incr(int namespace, Serializable key, int value, int defaultValue, int expireTime)

/* 参数含义：
namespace - 申请时分配的 namespace
key - key 列表，不超过 1k
value - 增加量
defaultValue - 第一次调用 incr 时的 key 的 count 初始值，第一次返回的值为 defaultValue + value。
expireTime - 数据过期时间，单位为秒，可设相对时间或绝对时间（Unix 时间戳）。
*/

2. Redis通过lua脚本实现简单窗口

与Tair实现方式类似，不过redis的incr()方法不能原子性的设置过期时间，所以需要使用lua脚本，在第一次调用返回1时，设置下过期时间为1秒。

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

3. Redis通过lua脚本实现令牌桶

实现思路是获取令牌后，用SET记录“请求时间”和“剩余token数量”。

每次请求令牌时，通过这两个参数和请求的时间、流速等参数进行计算，返回是否获取令牌成功。

获取令牌lua脚本：

local ratelimit_info = redis.pcall('HMGET',KEYS[1],'last_time','current_token')
local last_time = ratelimit_info[1]
local current_token = tonumber(ratelimit_info[2])
local max_token = tonumber(ARGV[1])
local token_rate = tonumber(ARGV[2])
local current_time = tonumber(ARGV[3])
local reverse_time = 1000/token_rate

if current_token == nil then
  current_token = max_token
  last_time = current_time
else
  local past_time = current_time-last_time
  local reverse_token = math.floor(past_time/reverse_time)
  current_token = current_token+reverse_token
  last_time = reverse_time*reverse_token+last_time
  if current_token>max_token then
    current_token = max_token
  end
end

local result = 0
if(current_token>0) then
  result = 1
  current_token = current_token-1
end 

redis.call('HMSET',KEYS[1],'last_time',last_time,'current_token',current_token)
redis.call('pexpire',KEYS[1],math.ceil(reverse_time*(max_token-current_token)+(current_time-last_time)))
return result

初始化令牌桶lua脚本：

local result=1
redis.pcall("HMSET",KEYS[1],"last_mill_second",ARGV[1],"curr_permits",ARGV[2],"max_burst",ARGV[3],"rate",ARGV[4])
return result