SpringBoot进阶教程(六十七)RateLimiter限流

2023-11-20 11:02:22

在上一篇文章nginx限流配置中，我们介绍了如何使用nginx限流，这篇文章介绍另外一种限流方式---RateLimiter。

v限流背景

在早期的计算机领域，限流技术(time limiting)被用作控制网络接口收发通信数据的速率。 可以用来优化性能，减少延迟和提高带宽等。 现在在互联网领域，也借鉴了这个概念， 用来为服务控制请求的速率， 如果双十一的限流， 12306的抢票等。 即使在细粒度的软件架构中，也有类似的概念。

系统使用下游资源时，需要考虑下游对资源受限、处理能力，在下游资源无法或者短时间内无法提升处理性能的情况下，可以使用限流器或者类似保护机制，避免下游服务崩溃造成整体服务的不可用。

v限流算法

常见限流算法有两种：漏桶算法和令牌桶算法。

2.1 漏桶算法

漏桶算法(Leaky Bucket)是网络世界中流量整形（Traffic Shaping）或速率限制（Rate Limiting）时经常使用的一种算法，它的主要目的是控制数据注入到网络的速率，平滑网络上的突发流量。漏桶算法提供了一种机制，通过它，突发流量可以被整形以便为网络提供一个稳定的流量。

漏桶可以看作是一个带有常量服务时间的单服务器队列，如果漏桶（包缓存）溢出，那么数据包会被丢弃。 在网络中，漏桶算法可以控制端口的流量输出速率，平滑网络上的突发流量，实现流量整形，从而为网络提供一个稳定的流量。

如下图所示，把请求比作是水，水来了都先放进桶里，并以限定的速度出水，当水来得过猛而出水不够快时就会导致水直接溢出，即拒绝服务。

SpringBoot进阶教程(六十七)RateLimiter限流

图片来源于网络，侵删。

可以看出，漏桶算法可以很好的控制流量的访问速度，一旦超过该速度就拒绝服务。

2.2 令牌桶算法

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。

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。从原理上看，令牌桶算法和漏桶算法是相反的，一个“进水”，一个是“漏水”。

对于很多应用场景来说，除了要求能够限制数据的平均传输速率外，还要求允许某种程度的突发传输。这时候漏桶算法可能就不合适了，令牌桶算法更为适合。

如下图所示，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。

SpringBoot进阶教程(六十七)RateLimiter限流

图片来源于网络，侵删。

本文后面实例中讲到的RateLimiter(Google的Guava包)正是使用的令牌桶算法。

2.3 漏桶算法和令牌桶算法的区别

漏桶算法的出水速度是恒定的，那么意味着如果瞬时大流量的话，将有大部分请求被丢弃掉（也就是所谓的溢出）。漏桶算法通常可以用于限制访问外部接口的流量，保护其他人系统，比如我们请求银行接口，通常要限制并发数。

令牌桶算法生成令牌的速度是恒定的，而请求去拿令牌是没有速度限制的。这意味，面对瞬时大流量，该算法可以在短时间内请求拿到大量令牌，可以处理瞬时流量，而且拿令牌的过程并不是消耗很大的事情。令牌桶算法通常可以用于限制被访问的流量，保护自身系统。

需要注意的是，在某些情况下，漏桶算法不能够有效地使用网络资源，因为漏桶的漏出速率是固定的，所以即使网络中没有发生拥塞，漏桶算法也不能使某一个单独的数据流达到端口速率。因此，漏桶算法对于存在突发特性的流量来说缺乏效率。而令牌桶算法则能够满足这些具有突发特性的流量。通常，漏桶算法与令牌桶算法结合起来为网络流量提供更高效的控制。

vRateLimiter

3.1 基础介绍

RateLimiter 从概念上来讲，速率限制器会在可配置的速率下分配许可证。如果必要的话，每个acquire() 会阻塞当前线程直到许可证可用后获取该许可证。一旦获取到许可证，不需要再释放许可证。

RateLimiter使用的是一种叫令牌桶的流控算法，RateLimiter会按照一定的频率往桶里扔令牌，线程拿到令牌才能执行，比如你希望自己的应用程序QPS不要超过1000，那么RateLimiter设置1000的速率后，就会每秒往桶里扔1000个令牌。

3.2 方法摘要

修饰符和类型 方法和描述
double acquire()
从RateLimiter获取一个许可，该方法会被阻塞直到获取到请求
double acquire(int permits)
从RateLimiter获取指定许可数，该方法会被阻塞直到获取到请求
static RateLimiter create(double permitsPerSecond)
根据指定的稳定吞吐率创建RateLimiter，这里的吞吐率是指每秒多少许可数（通常是指QPS，每秒多少查询）
static RateLimiter create(double permitsPerSecond, long warmupPeriod, TimeUnit unit)
根据指定的稳定吞吐率和预热期来创建RateLimiter，这里的吞吐率是指每秒多少许可数（通常是指QPS，每秒多少个请求量），在这段预热时间内，RateLimiter每秒分配的许可数会平稳地增长直到预热期结束时达到其最大速率。（只要存在足够请求数来使其饱和）
double getRate()
返回RateLimiter 配置中的稳定速率，该速率单位是每秒多少许可数
void setRate(double permitsPerSecond)
更新RateLimite的稳定速率，参数permitsPerSecond 由构造RateLimiter的工厂方法提供。
String toString()
返回对象的字符表现形式
boolean tryAcquire()
从RateLimiter 获取许可，如果该许可可以在无延迟下的情况下立即获取得到的话
boolean tryAcquire(int permits)
从RateLimiter 获取许可数，如果该许可数可以在无延迟下的情况下立即获取得到的话
boolean tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit)
从RateLimiter 获取指定许可数如果该许可数可以在不超过timeout的时间内获取得到的话，或者如果无法在timeout 过期之前获取得到许可数的话，那么立即返回false （无需等待）
boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
从RateLimiter 获取许可如果该许可可以在不超过timeout的时间内获取得到的话，或者如果无法在timeout 过期之前获取得到许可的话，那么立即返回false（无需等待）

3.3 实验

3.3.1 添加引用

        <dependency>
            <groupId>com.google.guava</groupId>
            <artifactId>guava</artifactId>
            <version>20.0</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.aspectj</groupId>
            <artifactId>aspectjweaver</artifactId>
            <version>1.8.10</version>
        </dependency>

3.3.2 添加注解

package learn.web.interceptor;

import java.lang.annotation.*;

/**
 * @author toutou
 * @date by 2020/12
 * @des 限流注解
 */
@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Limiting {

    // 默认每秒放入桶中的token
    double limitNum() default 20;

    String name() default "";
}

3.3.3 aop切面

package learn.web.interceptor;

import com.google.common.util.concurrent.RateLimiter;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.aspectj.lang.ProceedingJoinPoint;
import org.aspectj.lang.Signature;
import org.aspectj.lang.annotation.Around;
import org.aspectj.lang.annotation.Aspect;
import org.aspectj.lang.annotation.Pointcut;
import org.aspectj.lang.reflect.MethodSignature;
import org.springframework.stereotype.Component;

import java.lang.reflect.Method;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

/**
 * @author toutou
 * @date by 2020/12
 * @des
 */
@Aspect
@Component
@Slf4j
public class RateLimitAspect {
    private ConcurrentHashMap<String, RateLimiter> RATE_LIMITER  = new ConcurrentHashMap<>();
    private RateLimiter rateLimiter;

    @Pointcut("@annotation(learn.web.interceptor.Limiting)")
    public void serviceLimit() {
    }

    @Around("serviceLimit()")
    public Object around(ProceedingJoinPoint point) throws Throwable {
        //获取拦截的方法名
        Signature sig = point.getSignature();
        //获取拦截的方法名
        MethodSignature msig = (MethodSignature) sig;
        //返回被织入增加处理目标对象
        Object target = point.getTarget();
        //为了获取注解信息
        Method currentMethod = target.getClass().getMethod(msig.getName(), msig.getParameterTypes());
        //获取注解信息
        Limiting annotation = currentMethod.getAnnotation(Limiting.class);
        double limitNum = annotation.limitNum(); //获取注解每秒加入桶中的token
        String functionName = msig.getName(); // 注解所在方法名区分不同的限流策略

        if(RATE_LIMITER.containsKey(functionName)){
            rateLimiter=RATE_LIMITER.get(functionName);
        }else {
            RATE_LIMITER.put(functionName, RateLimiter.create(limitNum));
            rateLimiter=RATE_LIMITER.get(functionName);
        }
        if(rateLimiter.tryAcquire()) {
            log.info("处理完成");
            return point.proceed();
        } else {
            throw new RuntimeException("服务器繁忙，请稍后再试。");
        }
    }
}

3.3.4 添加Controller测试

package learn.web.controller;

import learn.model.vo.Result;
import learn.web.interceptor.Limiting;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

/**
 * @author toutou
 * @date by 2020/12
 * @des
 */
@Slf4j
@RestController
public class IndexController {
    /**
     * 使用限流注解的接口1
     * @return
     */
    @GetMapping("/limit1")
    @Limiting(limitNum = 1, name = "limiting1")
    public Result Limit1() {
        return Result.setSuccessResult("limiting1");
    }

    /**
     * 使用限流注解的接口2
     * @return
     */
    @GetMapping("/limit2")
    @Limiting(limitNum = 5, name = "limiting2")
    public Result Limit2() {
        return Result.setSuccessResult("limiting2");
    }
}

3.3.5 测试效果

ab测试截图

SpringBoot进阶教程(六十七)RateLimiter限流

浏览器截图

SpringBoot进阶教程(六十七)RateLimiter限流

其他参考/学习资料：

v源码地址

https://github.com/toutouge/javademosecond/tree/master/hellolearn


作　　者：请叫我头头哥
出　　处：http://www.cnblogs.com/toutou/
关于作者：专注于基础平台的项目开发。如有问题或建议，请多多赐教！
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