Java高并发系统限流算法的实现

目录

• 1 概述
• 2 计数器限流
• 2.1 概述
• 2.2 实现
• 2.3 结果分析
• 2.4 优缺点
• 2.5 应用
• 3 漏桶算法
• 3.1 概述
• 3.2 实现
• 3.3 结果分析
• 3.4 优缺点
• 4 令牌桶算法
• 4.1 概述
• 4.2 实现
• 4.3 结果分析
• 4.4 应用
• 5 滑动窗口
• 5.1 概述
• 5.2 实现
• 5.3 结果分析
• 5.4 应用

1 概述

在开发高并发系统时有三把利器用来保护系统：缓存、降级和限流。限流可以认为服务降级的一种，限流是对系统的一种保护措施。即限制流量请求的频率（每秒处理多少个请求）。一般来说，当请求流量超过系统的瓶颈，则丢弃掉多余的请求流量，保证系统的可用性。即要么不放进来，放进来的就保证提供服务。比如：延迟处理，拒绝处理，或者部分拒绝处理等等。

2 计数器限流

2.1 概述

计数器采用简单的计数操作，到一段时间节点后自动清零

2.2 实现

package com.oldlu.limit;
import java.util.concurrent.*;
public class Counter {
    public static void main(String[] args) {
        //计数器，这里用信号量实现
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
        //定时器，到点清零
        ScheduledExecutorService service = Executors.newScheduledThreadPool(1);
        service.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                semaphore.release(3);
            }
        },3000,3000,TimeUnit.MILLISECONDS);
        //模拟无数个请求从天而降
        while (true) {
            try {
                //判断计数器
                semaphore.acquire();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            //如果准许响应，打印一个ok
            System.out.println("ok");
        }
    }
}

2.3 结果分析

3个ok一组呈现，到下一个计数周期之前被阻断

2.4 优缺点

实现起来非常简单。
控制力度太过于简略，假如1s内限制3次，那么如果3次在前100ms内已经用完，后面的900ms将只能处于阻塞状态，白白浪费掉。

2.5 应用

使用计数器限流的场景较少，因为它的处理逻辑不够灵活。最常见的可能在web的登录密码验证，输入错误次数冻结一段时间的场景。如果网站请求使用计数器，那么恶意攻击者前100ms吃掉流量计数，使得后续正常的请求被全部阻断，整个服务很容易被搞垮。

3 漏桶算法

3.1 概述

漏桶算法将请求缓存在桶中，服务流程匀速处理。超出桶容量的部分丢弃。漏桶算法主要用于保护内部的处理业务，保障其稳定有节奏的处理请求，但是无法根据流量的波动弹性调整响应能力。现实中，类似容纳人数有限的服务大厅开启了固定的服务窗口。

3.2 实现

package com.oldlu.limit;
import java.util.concurrent.*;
public class Barrel {
    public static void main(String[] args) {
        //桶，用阻塞队列实现，容量为3
        final LinkedBlockingQueue<Integer> que = new LinkedBlockingQueue(3);
        //定时器，相当于服务的窗口，2s处理一个
        ScheduledExecutorService service = Executors.newScheduledThreadPool(1);
        service.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int v = que.poll();
                System.out.println("处理："+v);
            }
        },2000,2000,TimeUnit.MILLISECONDS);
        //无数个请求，i 可以理解为请求的编号
        int i=0;
        while (true) {
            i++;
            try {
                System.out.println("put:"+i);
                //如果是put，会一直等待桶中有空闲位置，不会丢弃
//                que.put(i);
                //等待1s如果进不了桶，就溢出丢弃
                que.offer(i,1000,TimeUnit.MILLISECONDS);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

3.3 结果分析

put任务号按照顺序入桶
执行任务匀速的1s一个被处理
因为桶的容量只有3，所以1-3完美执行，4被溢出丢弃，5正常执行

3.4 优缺点

有效的挡住了外部的请求，保护了内部的服务不会过载
内部服务匀速执行，无法应对流量洪峰，无法做到弹性处理突发任务
任务超时溢出时被丢弃。现实中可能需要缓存队列辅助保持一段时间
5）应用
nginx中的限流是漏桶算法的典型应用，配置案例如下：

http {
    #$binary_remote_addr 表示通过remote_addr这个标识来做key，也就是限制同一客户端ip地址。
#zone=one: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。
#rate=1r/s 表示允许相同标识的客户端每秒1次访问
    limit_req_zone $binary_remote_addr zone=one:10m rate=1r/s;
    server {
        location /limited/ {
        #zone=one 与上面limit_req_zone 里的name对应。
#burst=5 缓冲区，超过了访问频次限制的请求可以先放到这个缓冲区内，类似代码中的队列长度。
#nodelay 如果设置，超过访问频次而且缓冲区也满了的时候就会直接返回503，如果没有设置，则所有请求
会等待排队，类似代码中的put还是offer。  

        limit_req zone=one burst=5 nodelay;
    }
}

4 令牌桶算法

4.1 概述

令牌桶算法可以认为是漏桶算法的一种升级，它不但可以将流量做一步限制，还可以解决漏桶中无法弹性伸缩处理请求的问题。体现在现实中，类似服务大厅的门口设置门禁卡发放。发放是匀速的，请求较少时，令牌可以缓存起来，供流量爆发时一次性批量获取使用。而内部服务窗口不设限。

4.2 实现

package com.oldlu.limit;
import java.util.concurrent.*;
public class Token {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //令牌桶，信号量实现，容量为3
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(3);
        //定时器，1s一个，匀速颁发令牌
        ScheduledExecutorService service = Executors.newScheduledThreadPool(1);
        service.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                if (semaphore.availablePermits() < 3){
                    semaphore.release();
                }
//                System.out.println("令牌数："+semaphore.availablePermits());
            }
        },1000,1000,TimeUnit.MILLISECONDS);
        //等待，等候令牌桶储存
        Thread.sleep(5);
        //模拟洪峰5个请求，前3个迅速响应，后两个排队
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            semaphore.acquire();
            System.out.println("洪峰："+i);
        }
        //模拟日常请求，2s一个
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            Thread.sleep(1000);
            semaphore.acquire();
            System.out.println("日常："+i);
            Thread.sleep(1000);
        }
        //再次洪峰
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            semaphore.acquire();
            System.out.println("洪峰："+i);
        }
        //检查令牌桶的数量
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println("令牌剩余："+semaphore.availablePermits());
        }
    }
}

4.3 结果分析

注意结果出现的节奏！
洪峰0-2迅速被执行，说明桶中暂存了3个令牌，有效应对了洪峰
洪峰3，4被间隔性执行，得到了有效的限流
日常请求被匀速执行，间隔均匀
第二波洪峰来临，和第一次一样
请求过去后，令牌最终被均匀颁发，积累到3个后不再上升

4.4 应用

springcloud中gateway可以配置令牌桶实现限流控制，案例如下：

cloud:
    gateway:
      routes:
      ‐ id: limit_route
        uri: http://localhost:8080/test
        filters:
        ‐ name: RequestRateLimiter
          args:
           #限流的key，ipKeyResolver为spring中托管的Bean，需要扩展KeyResolver接口
            key‐resolver: '#{@ipResolver}'
            #令牌桶每秒填充平均速率，相当于代码中的发放频率
            redis‐rate‐limiter.replenishRate: 1
            #令牌桶总容量，相当于代码中，信号量的容量
            redis‐rate‐limiter.burstCapacity: 3

5 滑动窗口

5.1 概述

滑动窗口可以理解为细分之后的计数器，计数器粗暴的限定1分钟内的访问次数，而滑动窗口限流将1分钟拆为多个段，不但要求整个1分钟内请求数小于上限，而且要求每个片段请求数也要小于上限。相当于将原来的计数周期做了多个片段拆分。更为精细。

5.2 实现

package com.oldlu.limit;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Map;
import java.util.TreeMap;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class Window {
    //整个窗口的流量上限，超出会被限流
    final int totalMax = 5;
    //每片的流量上限，超出同样会被拒绝，可以设置不同的值
    final int sliceMax = 5;
    //分多少片
    final int slice = 3;
    //窗口，分3段，每段1s，也就是总长度3s
    final LinkedList<Long> linkedList = new LinkedList<>();
    //计数器，每片一个key，可以使用HashMap，这里为了控制台保持有序性和可读性，采用TreeMap
    Map<Long,AtomicInteger> map = new TreeMap();
    //心跳，每1s跳动1次，滑动窗口向前滑动一步，实际业务中可能需要手动控制滑动窗口的时机。
    ScheduledExecutorService service = Executors.newScheduledThreadPool(1);
    //获取key值，这里即是时间戳（秒）
    private Long getKey(){
        return System.currentTimeMillis()/1000;
    }
    public Window(){
        //初始化窗口，当前时间指向的是最末端，前两片其实是过去的2s
        Long key = getKey();
        for (int i = 0; i < slice; i++) {
            linkedList.addFirst(key‐i);
            map.put(key‐i,new AtomicInteger(0));
        }
        //启动心跳任务，窗口根据时间，自动向前滑动，每秒1步
        service.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Long key = getKey();
                //队尾添加最新的片
                linkedList.addLast(key);
                map.put(key,new AtomicInteger());
                //将最老的片移除
                map.remove(linkedList.getFirst());
                linkedList.removeFirst();
                System.out.println("step:"+key+":"+map);;
            }
        },1000,1000,TimeUnit.MILLISECONDS);
    }
    //检查当前时间所在的片是否达到上限
    public boolean checkCurrentSlice(){
        long key = getKey();
        AtomicInteger integer = map.get(key);
        if (integer != null){
            return integer.get() < sliceMax ;
        }
        //默认允许访问
        return true;
    }
    //检查整个窗口所有片的计数之和是否达到上限
    public boolean checkAllCount(){
        return map.values().stream().mapToInt(value ‐> value.get()).sum()  < totalMax;
    }
    //请求来临....
    public void req(){
        Long key = getKey();
        //如果时间窗口未到达当前时间片，稍微等待一下
        //其实是一个保护措施，放置心跳对滑动窗口的推动滞后于当前请求
        while (linkedList.getLast()<key){
            try {
                Thread.sleep(200);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //开始检查，如果未达到上限，返回ok，计数器增加1
        //如果任意一项达到上限，拒绝请求，达到限流的目的
        //这里是直接拒绝。现实中可能会设置缓冲池，将请求放入缓冲队列暂存
        if (checkCurrentSlice() && checkAllCount()){
            map.get(key).incrementAndGet();
            System.out.println(key+"=ok:"+map);
        }else {
            System.out.println(key+"=reject:"+map);
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Window window = new Window();
        //模拟10个离散的请求，相对之间有200ms间隔。会造成总数达到上限而被限流
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread.sleep(200);
            window.req();
        }
        //等待一下窗口滑动，让各个片的计数器都置零
        Thread.sleep(3000);
        //模拟突发请求，单个片的计数器达到上限而被限流
        System.out.println("‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
        window.req();
        }
    }
}

5.3 结果分析

模拟零零散散的请求，会造成每个片里均有计数，总数达到上限后，不再响应，限流生效：

再模拟突发的流量请求，会造成单片流量计数达到上限，不再响应而被限流

5.4 应用

滑动窗口算法，在tcp协议发包过程中被使用。在web现实场景中，可以将流量控制做更细化处理，解决计数器模型控制力度太粗暴的问题。

到此这篇关于Java高并发系统限流算法的应用的文章就介绍到这了,更多相关Java高并发限流算法内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！