最近，我們的業務系統引入了Guava的RateLimiter限流組件，它是基于令牌桶算法實現的,而令牌桶是非常經典的限流算法。本文將跟大家一起學習幾種經典的限流算法。

限流是什么?

維基百科的概念如下：

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

簡單翻譯一下：在計算機網絡中，限流就是控制網絡接口發送或接收請求的速率，它可防止DoS攻擊和限制Web爬蟲。

限流，也稱流量控制。是指系統在面臨高并發，或者大流量請求的情況下，限制新的請求對系統的訪問，從而保證系統的穩定性。限流會導致部分用戶請求處理不及時或者被拒，這就影響了用戶體驗。所以一般需要在系統穩定和用戶體驗之間平衡一下。舉個生活的例子：

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一些熱門的旅游景區，一般會對每日的旅游參觀人數有限制的。每天只會賣出固定數目的門票，比如5000張。假設在五一、國慶假期，你去晚了，可能當天的票就已經賣完了，就無法進去游玩了。即使你進去了，排隊也能排到你懷疑人生。

”

常見的限流算法

固定窗口限流算法

首先維護一個計數器，將單位時間段當做一個窗口，計數器記錄這個窗口接收請求的次數。

• 當次數少于限流閥值，就允許訪問，并且計數器+1

• 當次數大于限流閥值，就拒絕訪問。

• 當前的時間窗口過去之后，計數器清零。

假設單位時間是1秒，限流閥值為3。在單位時間1秒內，每來一個請求,計數器就加1，如果計數器累加的次數超過限流閥值3，后續的請求全部拒絕。等到1s結束后，計數器清0，重新開始計數。如下圖：

偽代碼如下：

????/***?固定窗口時間算法*?@return*/boolean?fixedWindowsTryAcquire()?{long?currentTime?=?System.currentTimeMillis();??//獲取系統當前時間if?(currentTime?-?lastRequestTime?>?windowUnit)?{??//檢查是否在時間窗口內counter?=?0;??//?計數器清0lastRequestTime?=?currentTime;??//開啟新的時間窗口}if?(counter?<?threshold)?{??//?小于閥值counter++;??//計數器加1return?true;}return?false;}

但是，這種算法有一個很明顯的臨界問題：假設限流閥值為5個請求，單位時間窗口是1s,如果我們在單位時間內的前0.8-1s和1-1.2s，分別并發5個請求。雖然都沒有超過閥值，但是如果算0.8-1.2s,則并發數高達10，已經超過單位時間1s不超過5閥值的定義啦。

滑動窗口限流算法

滑動窗口限流解決固定窗口臨界值的問題。它將單位時間周期分為n個小周期，分別記錄每個小周期內接口的訪問次數，并且根據時間滑動刪除過期的小周期。

一張圖解釋滑動窗口算法，如下：

假設單位時間還是1s，滑動窗口算法把它劃分為5個小周期，也就是滑動窗口（單位時間）被劃分為5個小格子。每格表示0.2s。每過0.2s，時間窗口就會往右滑動一格。然后呢，每個小周期，都有自己獨立的計數器，如果請求是0.83s到達的，0.8~1.0s對應的計數器就會加1。

我們來看下滑動窗口是如何解決臨界問題的？

假設我們1s內的限流閥值還是5個請求，0.8~1.0s內（比如0.9s的時候）來了5個請求，落在黃色格子里。時間過了1.0s這個點之后，又來5個請求，落在紫色格子里。如果是固定窗口算法，是不會被限流的，但是滑動窗口的話，每過一個小周期，它會右移一個小格。過了1.0s這個點后，會右移一小格，當前的單位時間段是0.2~1.2s，這個區域的請求已經超過限定的5了，已觸發限流啦，實際上，紫色格子的請求都被拒絕啦。

TIPS: 當滑動窗口的格子周期劃分的越多，那么滑動窗口的滾動就越平滑，限流的統計就會越精確。

滑動窗口算法偽代碼實現如下：

?/***?單位時間劃分的小周期（單位時間是1分鐘，10s一個小格子窗口，一共6個格子）*/private?int?SUB_CYCLE?=?10;/***?每分鐘限流請求數*/private?int?thresholdPerMin?=?100;/***?計數器,?k-為當前窗口的開始時間值秒，value為當前窗口的計數*/private?final?TreeMap<Long,?Integer>?counters?=?new?TreeMap<>();/***?滑動窗口時間算法實現*/boolean?slidingWindowsTryAcquire()?{long?currentWindowTime?=?LocalDateTime.now().toEpochSecond(ZoneOffset.UTC)?/?SUB_CYCLE?*?SUB_CYCLE;?//獲取當前時間在哪個小周期窗口int?currentWindowNum?=?countCurrentWindow(currentWindowTime);?//當前窗口總請求數//超過閥值限流if?(currentWindowNum?>=?thresholdPerMin)?{return?false;}//計數器+1counters.get(currentWindowTime)++;return?true;}/***?統計當前窗口的請求數*/private?int?countCurrentWindow(long?currentWindowTime)?{//計算窗口開始位置long?startTime?=?currentWindowTime?-?SUB_CYCLE*?(60s/SUB_CYCLE-1);int?count?=?0;//遍歷存儲的計數器Iterator<Map.Entry<Long,?Integer>>?iterator?=?counters.entrySet().iterator();while?(iterator.hasNext())?{Map.Entry<Long,?Integer>?entry?=?iterator.next();//?刪除無效過期的子窗口計數器if?(entry.getKey()?<?startTime)?{iterator.remove();}?else?{//累加當前窗口的所有計數器之和count?=count?+?entry.getValue();}}return?count;}

滑動窗口算法雖然解決了固定窗口的臨界問題，但是一旦到達限流后，請求都會直接暴力被拒絕。醬紫我們會損失一部分請求，這其實對于產品來說，并不太友好。

漏桶算法

漏桶算法面對限流，就更加的柔性，不存在直接的粗暴拒絕。

它的原理很簡單，可以認為就是注水漏水的過程。往漏桶中以任意速率流入水，以固定的速率流出水。當水超過桶的容量時，會被溢出，也就是被丟棄。因為桶容量是不變的，保證了整體的速率。

• 流入的水滴，可以看作是訪問系統的請求，這個流入速率是不確定的。

• 桶的容量一般表示系統所能處理的請求數。

• 如果桶的容量滿了，就達到限流的閥值，就會丟棄水滴（拒絕請求）

• 流出的水滴，是恒定過濾的，對應服務按照固定的速率處理請求。

漏桶算法偽代碼實現如下：

/***?每秒處理數（出水率）*/private?long?rate;/***??當前剩余水量*/private?long?currentWater;/***?最后刷新時間*/private?long?refreshTime;/***?桶容量*/private?long?capacity;/***?漏桶算法*?@return*/boolean?leakybucketLimitTryAcquire()?{long?currentTime?=?System.currentTimeMillis();??//獲取系統當前時間long?outWater?=?(currentTime?-?refreshTime)?/?1000?*?rate;?//流出的水量?=(當前時間-上次刷新時間)*?出水率long?currentWater?=?Math.max(0,?currentWater?-?outWater);?//?當前水量?=?之前的桶內水量-流出的水量refreshTime?=?currentTime;?//?刷新時間//?當前剩余水量還是小于桶的容量，則請求放行if?(currentWater?<?capacity)?{currentWater++;return?true;}//?當前剩余水量大于等于桶的容量，限流return?false;}

在正常流量的時候，系統按照固定的速率處理請求，是我們想要的。但是面對突發流量的時候，漏桶算法還是循規蹈矩地處理請求，這就不是我們想看到的啦。流量變突發時，我們肯定希望系統盡量快點處理請求，提升用戶體驗嘛。

令牌桶算法

面對突發流量的時候，我們可以使用令牌桶算法限流。

令牌桶算法原理：

• 有一個令牌管理員，根據限流大小，定速往令牌桶里放令牌。

• 如果令牌數量滿了，超過令牌桶容量的限制，那就丟棄。

• 系統在接受到一個用戶請求時，都會先去令牌桶要一個令牌。如果拿到令牌，那么就處理這個請求的業務邏輯；

• 如果拿不到令牌，就直接拒絕這個請求。

漏桶算法偽代碼實現如下：

????/***?每秒處理數（放入令牌數量）*/private?long?putTokenRate;/***?最后刷新時間*/private?long?refreshTime;/***?令牌桶容量*/private?long?capacity;/***?當前桶內令牌數*/private?long?currentToken?=?0L;/***?漏桶算法*?@return*/boolean?tokenBucketTryAcquire()?{long?currentTime?=?System.currentTimeMillis();??//獲取系統當前時間long?generateToken?=?(currentTime?-?refreshTime)?/?1000?*?putTokenRate;?//生成的令牌?=(當前時間-上次刷新時間)*?放入令牌的速率currentToken?=?Math.min(capacity,?generateToken?+?currentToken);?//?當前令牌數量?=?之前的桶內令牌數量+放入的令牌數量refreshTime?=?currentTime;?//?刷新時間//桶里面還有令牌，請求正常處理if?(currentToken?>?0)?{currentToken--;?//令牌數量-1return?true;}return?false;}

如果令牌發放的策略正確，這個系統即不會被拖垮，也能提高機器的利用率。Guava的RateLimiter限流組件，就是基于令牌桶算法實現的。

參考與感謝

• 來，年輕人！請手擼5種常見限流算法！

• 阿里云二面：你對限流了解多少？

創作挑戰賽新人創作獎勵來咯，堅持創作打卡瓜分現金大獎

總結

以上是生活随笔為你收集整理的详解4种经典的限流算法的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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