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Java 常见的限流算法详细分析并实现

作者：田埂、

大数据量高并发访问时，经常出现服务或接口面对暴涨的请求而不可用的情况，甚至引发连锁反映导致整个系统崩溃。此时你需要使用的技术手段之一就是限流，当请求达到一定的并发数或速率，就进行等待、排队、降级、拒绝服务等。限流时，常见算法是计数器、漏斗、令牌桶算法

为什么要限流

在保证可用的情况下尽可能多增加进入的人数,其余的人在排队等待,或者返回友好提示,保证里面的进行系统的用户可以正常使用，防止系统雪崩。

限流算法

限流算法很多,常见的有三类,分别是 计数器算法 、漏桶算法、令牌桶算法 。

（1）计数器：

          在一段时间间隔内，处理请求的最大数量固定，超过部分不做处理。

（2）漏桶：

          漏桶大小固定，处理速度固定，但请求进入速度不固定（在突发情况请求过多时，会丢弃过多的请求）。

（3）令牌桶：

          令牌桶的大小固定，令牌的产生速度固定，但是消耗令牌（即请求）速度不固定（可以应对一些某些时间请求过多的情况）；每个请求都会从令牌桶中取出令牌，如果没有令牌则丢弃该次请求。

计数器限流

在一段时间间隔内，处理请求的最大数量固定，超过部分不做处理。

举个例子,比如我们规定对于A接口，我们1分钟的访问次数不能超过100次。

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,拒绝访问；

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,就是这么简单粗暴。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-pkGvVRdd-1647523333397)(/upload/2021/09/image-0cbbc44ec76d446896e989962e8122e5.png)]

代码实现： 

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

//计数器 限流
public class CounterLimiter {

    //起始时间
    private static long startTime = System.currentTimeMillis();

    //时间间隔1000ms
    private static long interval = 1000;

    //每个时间间隔内，限制数量
    private static long limit = 3;

    //累加器
    private static AtomicLong accumulator = new AtomicLong();

    /**
     * true 代表放行，请求可已通过
     * false 代表限制，不让请求通过
     */
    public static boolean tryAcquire() {
        long nowTime = System.currentTimeMillis();
        //判断是否在上一个时间间隔内
        if (nowTime < startTime + interval) {
            //如果还在上个时间间隔内
            long count = accumulator.incrementAndGet();
            if (count <= limit) {
                return true;
            } else {
                return false;
            }
        } else {
            //如果不在上一个时间间隔内
            synchronized (CounterLimiter.class) {
                //防止重复初始化
                if (nowTime > startTime + interval) {
                    startTime = nowTime;
                    accumulator.set(0);
                }
            }
            //再次进行判断
            long count = accumulator.incrementAndGet();
            if (count <= limit) {
                return true;
            } else {
                return false;
            }
        }
    }


    // 测试
    public static void main(String[] args) {

        //线程池，用于多线程模拟测试
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 被限制的次数
        AtomicInteger limited = new AtomicInteger(0);
        // 线程数
        final int threads = 2;
        // 每条线程的执行轮数
        final int turns = 20;
        // 同步器
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < threads; i++) {
            pool.submit(() ->
            {
                try {

                    for (int j = 0; j < turns; j++) {

                        boolean flag = tryAcquire();
                        if (!flag) {
                            // 被限制的次数累积
                            limited.getAndIncrement();
                        }
                        Thread.sleep(200);
                    }

                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //等待所有线程结束
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        try {
            countDownLatch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        float time = (System.currentTimeMillis() - start) / 1000F;
        //输出统计结果
        System.out.println("限制的次数为：" + limited.get() +
                ",通过的次数为：" + (threads * turns - limited.get()));
        System.out.println("限制的比例为：" + (float) limited.get() / (float) (threads * turns));
        System.out.println("运行的时长为：" + time + "s");
    }

}

计数器限流的不足： 

这个算法虽然简单，但是存在临界问题，我们看下图：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-xUvgpono-1647523333398)(/upload/2021/09/image-d55d813bbcb544479109dd2248e90ff0.png)]

从上图中我们可以看到，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（规划的吞吐量），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。

漏桶限流

漏桶算法限流的基本原理为：水（对应请求）从进水口进入到漏桶里，漏桶以一定的速度出水（请求放行），当水流入速度过大，桶内的总水量大于桶容量会直接溢出，请求被拒绝。

大致的漏桶限流规则如下：

（1）进水口（对应客户端请求）以任意速率流入进入漏桶。

（2）漏桶的容量是固定的，出水（放行）速率也是固定的。

（3）漏桶容量是不变的，如果处理速度太慢，桶内水量会超出了桶的容量，则后面流入的水滴会溢出，表示请求拒绝。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ohzhfhmz-1647523333399)(/upload/2021/09/image-afa56bce847f4d8b99e2dfd1eb3509aa.png)]

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

以一定速率流出水，

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-hFtmsnIH-1647523333399)(/upload/2021/09/image-c7d684d693f74fa5bf4077febb8fccbc.png)]

削峰： 有大量流量进入时,会发生溢出,从而限流保护服务可用

缓冲： 不至于直接请求到服务器, 缓冲压力

代码实现： 

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

//漏斗限流
public class LeakBucketLimiter {

    //桶的大小
    private static long capacity = 10;
    //流出速率,每秒两个
    private static long rate = 2;
    //开始时间
    private static long startTime = System.currentTimeMillis();
    //桶中剩余的水
    private static AtomicLong water = new AtomicLong();

    /**
     * true 代表放行，请求可已通过
     * false 代表限制，不让请求通过
     */
    public synchronized static boolean tryAcquire() {
        //如果桶的余量问0，直接放行
        if (water.get() == 0) {
            startTime = System.currentTimeMillis();
            water.set(1);
            return true;
        }
        //计算从当前时间到开始时间流出的水，和现在桶中剩余的水
        //桶中剩余的水
        water.set(water.get() - (System.currentTimeMillis() - startTime) / 1000 * rate);
        //防止出现<0的情况
        water.set(Math.max(0, water.get()));
        //设置新的开始时间
        startTime += (System.currentTimeMillis() - startTime) / 1000 * 1000;
        //如果当前水小于容量，表示可以放行
        if (water.get() < capacity) {
            water.incrementAndGet();
            return true;
        } else {
            return false;
        }
    }


    // 测试
    public static void main(String[] args) {

        //线程池，用于多线程模拟测试
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 被限制的次数
        AtomicInteger limited = new AtomicInteger(0);
        // 线程数
        final int threads = 2;
        // 每条线程的执行轮数
        final int turns = 20;
        // 同步器
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < threads; i++) {
            pool.submit(() ->
            {
                try {

                    for (int j = 0; j < turns; j++) {

                        boolean flag = tryAcquire();
                        if (!flag) {
                            // 被限制的次数累积
                            limited.getAndIncrement();
                        }
                        Thread.sleep(200);
                    }

                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //等待所有线程结束
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        try {
            countDownLatch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        float time = (System.currentTimeMillis() - start) / 1000F;
        //输出统计结果
        System.out.println("限制的次数为：" + limited.get() +
                ",通过的次数为：" + (threads * turns - limited.get()));
        System.out.println("限制的比例为：" + (float) limited.get() / (float) (threads * turns));
        System.out.println("运行的时长为：" + time + "s");
    }

}

漏桶的不足： 

漏桶的出水速度固定，也就是请求放行速度是固定的。

漏桶出口的速度固定，不能灵活的应对后端能力提升。比如，通过动态扩容，后端流量从1000QPS提升到1WQPS，漏桶没有办法。

令牌桶限流

令牌桶算法中新请求到来时会从桶里拿走一个令牌，如果桶内没有令牌可拿，就拒绝服务。 当然，令牌的数量也是有上限的。令牌的数量与时间和发放速率强相关，时间流逝的时间越长，会不断往桶里加入越多的令牌，如果令牌发放的速度比申请速度快，令牌桶会放满令牌，直到令牌占满整个令牌桶。

令牌桶限流大致的规则如下：

（1）进水口按照某个速度，向桶中放入令牌。

（2）令牌的容量是固定的，但是放行的速度不是固定的，只要桶中还有剩余令牌，一旦请求过来就能申请成功，然后放行。

（3）如果令牌的发放速度，慢于请求到来速度，桶内就无牌可领，请求就会被拒绝。

总之，令牌的发送速率可以设置，从而可以对突发的出口流量进行有效的应对。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-OlS9VCnB-1647523333401)(/upload/2021/09/image-f5b402eae3b2409c8939b34d8be41f9c.png)]

代码实现： 

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

//令牌桶
public class TokenBucketLimiter {
    //桶的容量
    private static long capacity = 10;
    //放入令牌的速率,每秒2个
    private static long rate = 2;
    //上次放置令牌的时间
    private static long lastTime = System.currentTimeMillis();
    //桶中令牌的余量
    private static AtomicLong tokenNum = new AtomicLong();

    /**
     * true 代表放行，请求可已通过
     * false 代表限制，不让请求通过
     */
    public synchronized static boolean tryAcquire() {
        //更新桶中剩余令牌的数量
        long now = System.currentTimeMillis();
        tokenNum.addAndGet((now - lastTime) / 1000 * rate);
        tokenNum.set(Math.min(capacity, tokenNum.get()));
        //更新时间
        lastTime += (now - lastTime) / 1000 * 1000;
        //桶中还有令牌就放行
        if (tokenNum.get() > 0) {
            tokenNum.decrementAndGet();
            return true;
        } else {
            return false;
        }
    }


    //测试
    public static void main(String[] args) {

        //线程池，用于多线程模拟测试
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 被限制的次数
        AtomicInteger limited = new AtomicInteger(0);
        // 线程数
        final int threads = 2;
        // 每条线程的执行轮数
        final int turns = 20;
        // 同步器
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < threads; i++) {
            pool.submit(() ->
            {
                try {

                    for (int j = 0; j < turns; j++) {

                        boolean flag = tryAcquire();
                        if (!flag) {
                            // 被限制的次数累积
                            limited.getAndIncrement();
                        }
                        Thread.sleep(200);
                    }

                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //等待所有线程结束
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        try {
            countDownLatch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        float time = (System.currentTimeMillis() - start) / 1000F;
        //输出统计结果
        System.out.println("限制的次数为：" + limited.get() +
                ",通过的次数为：" + (threads * turns - limited.get()));
        System.out.println("限制的比例为：" + (float) limited.get() / (float) (threads * turns));
        System.out.println("运行的时长为：" + time + "s");
    }

}

令牌桶的好处： 

令牌桶的好处之一就是可以方便地应对 突发出口流量（后端能力的提升）。

比如，可以改变令牌的发放速度，算法能按照新的发送速率调大令牌的发放数量，使得出口突发流量能被处理。

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