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

  • 缓存:缓存的目的是提升系统访问速度和增大系统处理容量
  • 降级:降级是当服务器压力剧增的情况下,根据当前业务情况及流量对一些服务和页面有策略的降级,以此释放服务器资源以保证核心任务的正常运行
  • 限流:限流的目的是通过对并发访问/请求进行限速,或者对一个时间窗口内的请求进行限速来保护系统,一旦达到限制速率则可以拒绝服务、排队或等待、降级等处理

常用限流算法:

  • 计数器算法
  • 滑动窗口
  • 令牌桶算法
  • 漏桶算法

# 计数器算法

计数器算法是限流算法里最简单也是最容易实现的一种算法。

比如我们规定,对于A接口来说,我们1分钟的访问次数不能超过100个。那么我们可以这么做:在一开始的时候,我们可以设置一个计数器counter,每当一个请求过来的时候,counter就加1,如果counter的值大于100并且该请求与第一个请求的间隔时间还在1分钟之内,那么说明请求数过多;如果该请求与第一个请求的间隔时间大于1分钟,且counter的值还在限流范围内,那么就重置 counter

计数器算法虽然简单,但是有一个十分致命的问题,那就是临界问题

假设有一个恶意用户,他在0:59时,瞬间发送了100个请求,并且1:00又瞬间发送了100个请求,那么其实这个用户在 1秒里面,瞬间发送了200个请求。我们刚才规定的是1分钟最多100个请求,也就是每秒钟最多1.7个请求,用户通过在时间窗口的重置节点处突发请求, 可以瞬间超过我们的速率限制。用户有可能通过算法的这个漏洞,瞬间压垮我们的应用。

聪明的朋友可能已经看出来了,刚才的问题其实是因为我们统计的精度太低。那么如何很好地处理这个问题呢?或者说,如何将临界问题的影响降低呢?我们可以看下面的滑动窗口算法。

# 滑动窗口

滑动窗口,又称rolling window。为了解决这个问题,我们引入了滑动窗口算法。如果学过TCP网络协议的话,那么一定对滑动窗口这个名词不会陌生

比如一个时间窗口就是一分钟, 然后我们将时间窗口进行划分,将滑动窗口划成了6格,所以每格代表的是10秒钟。每过10秒钟,我们的时间窗口就会往右滑动一格。每一个格子都有自己独立的计数器counter,比如当一个请求 在0:35秒的时候到达,那么0:30~0:39对应的counter就会加1。

我们可以发现,计数器算法其实就是滑动窗口算法。只是它没有对时间窗口做进一步地划分,所以只有1格。

由此可见,当滑动窗口的格子划分的越多,那么滑动窗口的滚动就越平滑,限流的统计就会越精确。

# 令牌桶算法

令牌桶算法是比较常见的限流算法之一,大概描述如下:

  1. 所有的请求在处理之前都需要拿到一个可用的令牌才会被处理;
  2. 根据限流大小,设置按照一定的速率往桶里添加令牌;
  3. 桶设置最大的放置令牌限制,当桶满时、新添加的令牌就被丢弃或者拒绝;
  4. 请求达到后首先要获取令牌桶中的令牌,拿着令牌才可以进行其他的业务逻辑,处理完业务逻辑之后,将令牌直接删除;
  5. 令牌桶有最低限额,当桶中的令牌达到最低限额的时候,请求处理完之后将不会删除令牌,以此保证足够的限流;

# 漏桶算法

漏桶算法其实很简单,可以粗略的认为就是注水漏水过程,往桶中以一定速率流出水,以任意速率流入水,当水超过桶流量则丢弃,因为桶容量是不变的,保证了整体的速率。