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1.导读-为什么需要限流

因为资源是有限的(如服务器资源)，当资源供不应求就会发现一系列问题(如请求延迟)，因此我们通常会对资源增加访问的限制，以现实为例，如为防止十字路流量过大且保证安全性，引入红绿灯机制，到下班时间段，甚至特定路段会安排交警指挥，还有春运的交通限流、超市排队结算等等，可以说限流机制在日常生活中都是无处不在。那放到API概念上时，常见的限流应用场景有哪些？

• 防止流量突发时，服务出现雪崩，如抢购或DDOS攻击
• 用户SLA的分级，如针对免费用户和付费用户，提供不同的API QPPS额度
• API市场的API商品，会通过限流来满足商品库存的调用限制

2.限流指标

限流有两个重要概念：阈值和拒绝策略，下面是对常用阈值的介绍

2.1TPS

TPS（Transaction Per Second）即事务数/秒。与mysql的事务不同，这里指一个客端端向服务器发送请求做出响应的过程，客户端在发送请求开始计算到服务器响应后结束计算。
在单机系统上一个请求完成一笔事务，但是在分布式系统中，一笔请求通常需要多个系统配合（一笔事务多个请求），有的服务需要异步返回，因此完成一笔事务花费时间可能很长，因此如果按照TPS进行限流，时间粒度很大，很难准确评估系统的响应性能。

2.2HPS

每秒请求数，指每秒钟服务端收到客户端的请求数量。单机系统一笔请求完成一笔事务，TPS和QPS相同，分布式不同，目前主流的限流方法多采用HPS作为限流指标

2.3QPS

服务端每秒能够响应的客户端查询请求数量，同理单机HPS和QPS相同

2.4 性能压测工具wrk

wrk

3.限流方法

即拒绝策略，限流方法根据限流范围分为单机限流和分布式限流，下面以单机限流进行分析（分布式之后补充）

3.1流量计数器（固定窗口限流）

特点：

• 将时间划分固定大小窗口，如每秒一个
• 每个窗口记录请求数量
• 请求到达+1
• 请求超过阈值拒绝
• 窗口结束重置请求

最直观的解释，我直接限制每秒请求数量100，超过100就拒绝掉
我这里用gin中间件实现一个最简单的流量计数器

type ratelimitByCountBuilder struct {
    count int64
}

func newRateLimit(count int64) *ratelimitByCountBuilder {
    //todo 启动协程清空count
    builder := &ratelimitByCountBuilder{
        count: count,
    }

    go func() {
        ticker := time.NewTicker(time.Second)
        for {
            select {
            case <-ticker.C:
                atomic.StoreInt64(&builder.count, count)
            }
        }
    }()
    return builder
}

func (builder *ratelimitByCountBuilder) Build() gin.HandlerFunc {
    return func(ctx *gin.Context) {
        if atomic.LoadInt64(&builder.count) <= 0 {
            fmt.Printf("rejection req!\n")
            ctx.Abort()
            return
        }

        atomic.AddInt64(&builder.count, -1)
    }
}

或者直接使用自带的

gin.LimitRequests(100, time.Second)

原理就是请求过来时先进行判断
缺点是什么？

• 单位时间很难把控，请求分布不均匀

  
  image.png
  

  从上面看hps超过100

• 无法应对突发流量，窗口大小是固定的，不够灵活
• 窗口结束时的请求重置可能导致请求的不公平性

3.2滑动窗口

实例代码
特点：

• 确定一个窗口大小和请求数阈值，如1秒
• 每次请求到达请求数+1，如果请求数超过阈值则 拒绝
• 随时间推移窗口滑动，移出过期请求，即检查最早到达的请求，计算与当前时间差，判断是否超过窗口大小
• 窗口大小可以根据流量变化

type limitBySlidingWindowBuilder struct {
    windowSize  time.Duration //窗口大小
    maxRequests int           //最大请求数量
    requests    []time.Time
    lock        sync.Mutex
}

func newBuilder(size time.Duration, max int) *limitBySlidingWindowBuilder {
    return &limitBySlidingWindowBuilder{
        windowSize:  size,
        maxRequests: max,
        requests:    make([]time.Time, 0, max),
    }
}

func (limit *limitBySlidingWindowBuilder) Build() gin.HandlerFunc {
    return func(ctx *gin.Context) {
        if !limit.allowRequest() {
            ctx.Abort()
            return
        }
    }
}

func (limit *limitBySlidingWindowBuilder) allowRequest() bool {
    currentTime := time.Now()
    limit.lock.Lock()
    defer limit.lock.Unlock()

    //清理过期请求
    if len(limit.requests) > 0 && currentTime.Sub(limit.requests[0]) > limit.windowSize {
        limit.requests = limit.requests[1:]
    }

    //检查请求数
    if len(limit.requests) >= limit.maxRequests {
        fmt.Println("reject")
        return false
    }

    limit.requests = append(limit.requests, currentTime)

    return true
}

// todo 自定义动态调整窗口大小
func (limit *limitBySlidingWindowBuilder) update(t time.Duration) {
    limit.lock.Lock()
    defer limit.lock.Unlock()
    limit.windowSize = t

}

缺点：

• 内存消耗：当随时间推移，窗口大小较大或请求频率高的情况下，内存消耗增加

• 更多CPU计算开销

  
  image.png

3.3漏桶

demo
是对滑动窗口的改进：

• 确定一个固定的漏桶容量，表示存储最大请求数
• 漏桶速率，表示每秒可以处理请求数
• 当请求到达，讲请求放入漏桶
• 漏桶以固定速率从漏桶中消费请求
• 如果漏桶满了则丢弃或延迟处理 image.png

type leakybucket struct {
    rate       float64 //漏桶速度 请求数/秒
    size       int
    water      int   //当前水量
    lastLeakMs int64 //上次漏水时间戳
    lock       sync.Locker
}

func newleak(rate float64, size int) *leakybucket {
    return &leakybucket{
        rate:       rate,
        size:       size,
        water:      0,
        lastLeakMs: time.Now().Unix(),
    }
}

func (limit *leakybucket) Build() gin.HandlerFunc {
    return func(ctx *gin.Context) {
        if !limit.allow() {
            ctx.Abort()
            return
        }
    }
}

func (limit *leakybucket) allow() bool {
    now := time.Now().Unix()

    limit.lock.Lock()
    defer limit.lock.Unlock()

    //之前漏出的水量
    leakAmount := int(float64(now-limit.lastLeakMs) / 1000 * limit.rate)

    if leakAmount > 0 {
        if leakAmount > limit.water {
            limit.water = 0
        } else {
            limit.water -= leakAmount
        }
    }

    //计算当前是否超过容量
    if limit.water > limit.size {
        limit.water--
        fmt.Println("reject")
        return false
    }

    limit.water++

    limit.lastLeakMs = now
    return true
}

3.4 令牌桶

令牌桶算法就跟病人去医院看病一样，找医生之前需要先挂号，而医院每天放的号是有限的。当天的号用完了，第二天又会放一批号

image.png

具体用法参考"golang.org/x/time/rate"

4.分布式限流

4.1基于中心化

即通过一个中心化的限流器控制所有服务器的请求

• 选择一个中心化组件，如redis
• 定义限流规则，如设置每秒最大请求数，每个IP单位时间最多访问次数
• 对于每个请求要先向redis请求令牌
• 没拿到就被限流
  lua脚本如下

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])
if current_token == nil then
  current_token = max_token
  last_time = current_time
else
  local past_time = current_time-last_time
  
  if past_time>1000 then
      current_token = current_token+token_rate
      last_time = current_time
  end

  ## 防止溢出
  if current_token>max_token then
    current_token = max_token
    last_time = current_time
  end
end

local result = 0
if(current_token>0) then
  result = 1
  current_token = current_token-1
  last_time = current_time
end
redis.call('HMSET',KEYS[1],'last_time',last_time,'current_token',current_token)
return result