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Java常见限流用法介绍和实现
2024-09-16 19:00:06基础资料围观104次
文章Java常见限流用法介绍和实现分享给大家，欢迎收藏Java资料网，专注分享技术知识
目录
1、AtomicInteger,AtomicLong 原子类操作
3、Google Guava的RateLimiter
一、现象
为什么要限流：用于在高并发环境中保护系统资源,避免因过多请求导致系统崩溃
线上服务运行中，偶尔会遇见如Api服务瞬时请求流量过高，服务被压垮；数据处理服务处理消息队列数据，消费速度过快，导致处理性能下降甚至崩溃。
限流前：数据推送给服务处理时，速度过快，服务未限流，导致CPU突然暴涨达到临界值，处理性能底下
限流后：消费速度平稳，CPU平稳，未超限，内存上涨也未超限
可见限流是非常重要的！
二、工具
1、AtomicInteger,AtomicLong 原子类操作
优点：
- 性能高：AtomicInteger 和 AtomicLong 基于 CAS（Compare-And-Swap）操作，能够实现高效的并发访问，适用于高并发场景。
- 轻量级：这些类作为 Java 标准库的一部分，无需引入额外的依赖，使用简单方便。
- 内存操作：AtomicInteger 和 AtomicLong 的操作都在内存中完成，避免了网络开销。
缺点：
- 单机限流：AtomicInteger 和 AtomicLong 主要适用于单机环境下的限流，对于分布式系统或微服务架构来说，可能需要额外的机制来实现全局限流。
- 功能相对单一：AtomicInteger 和 AtomicLong 的功能较为单一，可能无法满足复杂的限流需求。
- CAS 的潜在问题：在高并发场景下，CAS 操作可能导致自旋等待，增加 CPU 开销。此外，如果多个线程同时修改同一个值，可能导致性能下降。
2、Redis+Lua
优点：
- 灵活性高：Redis+Lua 的限流方案允许根据业务需求灵活定制限流规则，如限制特定来源 IP 或 API 的访问频率。
- 分布式支持：Redis 作为分布式缓存，使得限流策略可以跨多个实例或节点生效，非常适合微服务架构或分布式系统。
- 原子性操作：Lua 脚本在 Redis 中执行时具有原子性，避免了并发访问时可能出现的数据不一致问题。
缺点：
- 网络开销：虽然 Redis+Lua 减少了部分网络请求，但仍然存在网络 IO 开销，尤其在高并发场景下可能会成为性能瓶颈。
- 依赖 Redis：该方案高度依赖 Redis 的稳定性和可用性，一旦 Redis 出现故障，限流策略可能失效。
- 学习成本：Redis 和 Lua 的使用需要一定的学习成本，尤其是对于那些不熟悉这两个技术的开发者来说。
3、Google Guava的RateLimiter
优点：
- 基于令牌桶算法：RateLimiter采用了令牌桶算法进行限流，该算法允许突发流量的处理，当请求空闲时，可以预先生成一部分令牌，从而在新请求到达时无需等待。
- 实现简单：RateLimiter的使用相对简单，可以方便地集成到现有系统中。
缺点：
- 功能相对单一：RateLimiter主要关注限流功能，对于熔断降级等复杂场景的处理能力相对较弱。
- 缺乏实时监测和报警机制：RateLimiter没有提供实时的系统监测和报警功能，对于系统问题的发现和解决可能不够及时。
1） 使用
引入pom
<dependency>
<groupId>com.google.guava</groupId>
<artifactId>guava</artifactId>
<version>27.1-jre</version>
</dependency>常用API介绍
- RateLimiter.create(permitsPerSecond)：设置当前接口的QPS
- rateLimiter.tryAcquire(timeout, timeUnit)：尝试在一定时间内获取令牌，超时则退出
- rateLimiter.acquire():尝试获取对应数量令牌，默认一个令牌，如果没有可以用的，则该方法将一直阻塞线程，直到RateLimiter允许获得新的许可证
2） Demo
/**
* @author : YY-帆S
* @since : 2024/2/26
*/
@Slf4j
@Service
@ConditionalOnProperty(value = "xxxxx", havingValue = "true")
public class ForwardAndCustomDetailConsumer {
// 创建RateLimiter，这里设置每秒最多处理300条消息
private final RateLimiter rateLimiter = RateLimiter.create(300.0);
@KafkaListener(topics = "#{'${xxxxx}'.split(',')}", groupId = "${xxxxx}", containerFactory = "ActCommonKafkaConfig")
public void consumer(ConsumerRecord<?, ?> record) {
MDCHelper.fillMDC();
String value = null;
try {
// 通过RateLimiter进行限流
rateLimiter.acquire();
} catch (Exception e) {
xxxx;
}
}
}
3） 优化demo
第二点的demo配置不好变动，策略修改时需要修改代码，重新编译服务
因此优化后通过依赖注入的方式创建RateLimiter实例
1. 创建RateLimit的配置类
/**
* @author YY-帆S
* @Date 2024/3/8 11:42
*/
@Configuration
public class RateLimiterConfig {
@Resource
private Act71225Properties act71225Properties;
@Bean(name = "act72183RateLimiter")
public RateLimiter act72183OfflineRateLimiter() {
return RateLimiter.create(act71225Properties.getOfflineDataRateLimit());
}
}2.修改RateLimiter实现方式
/**
* @author : YY-帆S
* @since : 2024/2/26
*/
@Slf4j
@Service
@ConditionalOnProperty(value = "xxxxx", havingValue = "true")
public class ForwardAndCustomDetailConsumer {
// 创建RateLimiter，这里设置每秒最多处理300条消息
@Resource(name = "act72183RateLimiter")
private RateLimiter rateLimiter;
@KafkaListener(topics = "#{'${xxxxx}'.split(',')}", groupId = "${xxxxx}", containerFactory = "ActCommonKafkaConfig")
public void consumer(ConsumerRecord<?, ?> record) {
MDCHelper.fillMDC();
String value = null;
try {
// 通过RateLimiter进行限流
rateLimiter.acquire();
} catch (Exception e) {
xxxx;
}
}
}
4、阿里开源的Sentinel
优点：
- 功能丰富：Sentinel不仅支持限流功能，还提供了熔断降级、系统保护、热点参数限流等多种应用场景的支持。
- 细粒度的控制：Sentinel可以实现细粒度的控制，满足复杂场景下对流量和资源的精确管理需求。
- 强大的实时监测和报警机制：Sentinel提供了实时的系统监测和报警功能，可以及时发现并解决系统问题。
- 易于扩展和集成：Sentinel为开发者提供了简单易用的扩展接口，支持多种开发框架的集成，方便开发者根据需求进行定制和扩展。
缺点：
- 学习成本可能较高：由于Sentinel的功能丰富，对于初学者来说可能需要一定的学习成本来熟悉和掌握。
- 可能增加系统复杂度：引入Sentinel可能会增加系统的复杂度，特别是在大型项目中，需要仔细规划和管理相关的配置和规则。
三、算法
1、计数限流
（1）原理
系统同时只能处理N个请求，保存一个计数器，开始处理时计数器+1，处理完成后计数器-1
每次请求查看计数器的值，超过阈值就拒绝
（2）实现
- 实现类
如下以AtomicInteger 为工具实现计数限流，即同时只能处理N个数据
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
* @author YY-帆S
* @Date 2024/3/25 21:07
*/
@Slf4j
public class AtomicCounterRateLimiter {
private final AtomicInteger counter;
private final int limit;
public AtomicCounterRateLimiter(int limit) {
this.counter = new AtomicInteger(0);
this.limit = limit;
}
/**
* 限流
*
* @return
*/
public synchronized boolean tryAcquire() {
//获取计数器，不超过限制则则返回true，并追加数值
if (counter.get() < limit) {
counter.incrementAndGet();
return true;
}
return false;
}
/**
* 释放
*
* @return
*/
public synchronized boolean tryRelease() {
//获取计数器，不超过限制则则返回true，并追加数值
if (counter.get() > 0) {
counter.decrementAndGet();
return true;
}
return false;
}
}2. 测试类
import org.junit.Test;
/**
* @author YY-帆S
* @Date 2024/3/25 21:27
*/
public class AtomicCounterRateLimiterTest {
@Test
public void testLimit() {
//创建一个限流器，允许同时只能处理10个请求
AtomicCounterRateLimiter atomicCounterRateLimiter = new AtomicCounterRateLimiter(10);
// 模拟15个请求，每个请求间隔100毫秒
for (int i = 0; i < 15; i++) {
new Thread(() -> {
// 尝试获取许可
if (atomicCounterRateLimiter.tryAcquire()) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获得了许可，执行操作。");
// 模拟请求之间的间隔
try {
Thread.sleep((long) (Math.random() * 100));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
atomicCounterRateLimiter.tryRelease();
} else {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 请求被拒绝。");
}
}).start();
}
}
}
执行结果：
Thread-0 获得了许可，执行操作。
Thread-1 获得了许可，执行操作。
Thread-4 获得了许可，执行操作。
Thread-2 获得了许可，执行操作。
Thread-3 获得了许可，执行操作。
Thread-5 获得了许可，执行操作。
Thread-7 获得了许可，执行操作。
Thread-6 获得了许可，执行操作。
Thread-8 获得了许可，执行操作。
Thread-9 获得了许可，执行操作。
Thread-10 请求被拒绝。
Thread-11 请求被拒绝。
Thread-13 请求被拒绝。
Thread-14 请求被拒绝。
Thread-12 请求被拒绝。
（3）优缺点
优点：简单，代码好实现，单机可用Atomic 等原子类、分布式集群可以用Redis
缺点：扛不住突发性的流量，假设阈值=1w，即服务器可以同时处理1w个请求，当1w个请求在1s内同时涌进来时，服务有可能扛不住
2、固定窗口限流
（1）原理
固定窗口限流是在计数限流的概念上，加上了时间窗口的概念，计数器每过一个时间窗口就重置为0，限流规则如在N秒内只允许处理M个请求
（2）实现
如下以Redis+Lua为工具实现固定时间窗口限流，即 N秒内同时只能处理M个数据
import com.bigo.web.yummy.center.dao.redis.RedisDao;
import com.bigo.web.yummy.inner.Application;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.Test;
import org.junit.runner.RunWith;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;
import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;
import org.springframework.data.redis.core.script.DefaultRedisScript;
import org.springframework.test.context.junit4.SpringRunner;
import javax.annotation.Resource;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* @author YY-帆S
* @Date 2024/3/25 18:30
*/
@Slf4j
@RunWith(SpringRunner.class)
@SpringBootTest(classes = Application.class)
public class RedisFixedTimeRateLimit {
@Resource
RedisDao redisDao;
private boolean tryAcquire() {
String key = "limit:test";
//同时只能处理10个请求
int limitCount = 10;
//1s内
int second = 1;
String luaCode = "local key = KEYS[1]\n" +
"local limit = tonumber(ARGV[1])\n" +
"local expire_time = ARGV[2]\n" +
"local is_exists = redis.call(\"EXISTS\", key)\n" +
"if is_exists == 1 then\n" +
" if redis.call(\"INCR\", key) > limit then\n" +
" return false\n" +
" else\n" +
" return true\n" +
" end\n" +
"else\n" +
" redis.call(\"INCRBY\", key, 1)\n" +
" redis.call(\"EXPIRE\", key, expire_time)\n" +
" return true\n" +
"end";
List<String> keys = new ArrayList<>();
keys.add(key);
List<String> values = new ArrayList<>();
values.add(String.valueOf(limitCount));
values.add(String.valueOf(second));
RedisTemplate<String, String> redisTemplate = redisDao.getLongCodis().getRedisTemplate();
DefaultRedisScript<Boolean> redisScript = new DefaultRedisScript<>(luaCode, Boolean.class);
return redisTemplate.execute(redisScript, keys, String.valueOf(limitCount), String.valueOf(second));
}
@Test
public void testLimit() {
// 模拟15个请求
for (int i = 0; i < 15; i++) {
new Thread(() -> {
// 尝试获取许可
if (tryAcquire()) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获得了许可，执行操作。");
} else {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 请求被拒绝。");
}
}).start();
}
}
}
（3）优缺点
优点：简单，代码好实现，单机可用Atomic 等原子类、分布式集群可以用Redis
缺点：限流机制不够平滑，如每秒允许请求100个请求，在第一毫秒内就请求了100个请求，此后都开始限流，导致剩余窗口内的所有请求都会被拒绝
又如在最后1个毫秒内请求了100个请求，下一个毫秒开始新的时间窗口，计数清0，此时又涌入了100个请求，虽说固定时间窗口内没有超过阈值，但是全局看来，这两个毫秒内就涌入了200个请求，对于限流100的概念是不可接受的
3、滑动窗口限流
（1）原理
在固定时间窗口的基础上进行优化，对大的时间窗口进行划分，每个小窗口对应大窗口中的不同时间点，每个窗口独立计数。随时间的变化，小窗口随之平移，并且重置/舍弃过期的小窗口，每个小窗口的计数器相加，不超过大窗口的限流limit，即限流阈值之内。
（2）实现
import java.util.Arrays;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
* @author YY-帆S
* @Date 2024/3/26 15:04
*/
public class SlidingWindowRateLimiter {
private int windowSize; //时间窗口大小, Unit: s
private int slotNum; //用于统计的子窗口数量，默认为10
private int slotTime; //子窗口的时间长度, Unit: ms
private int limit; //限流阈值
/**
* 存放子窗口统计结果的数组
* note: counters[0]记为数组左边, counters[size-1]记为数组右边
*/
private AtomicInteger[] counters;
private long lastTime;
//初始化
public SlidingWindowRateLimiter(int windowSize, int limit, int slotNum) {
this.windowSize = windowSize;
this.limit = limit;
this.slotNum = slotNum;
// 计算子窗口的时间长度: 时间窗口 / 子窗口数量
this.slotTime = windowSize * 1000 / slotNum;
this.lastTime = System.currentTimeMillis();
this.counters = new AtomicInteger[slotNum];
resetCounters();
}
public SlidingWindowRateLimiter(int windowSize, int limit) {
this(windowSize, limit, 10);
}
private void resetCounters() {
for (int i = 0; i < counters.length; i++) {
counters[i] = new AtomicInteger(0); // 每个数组元素都是一个新的AtomicInteger实例
}
}
/**
* 限流请求
* @return
*/
public synchronized boolean tryAcquire() {
long currentTime = System.currentTimeMillis();
// 计算滑动数, 子窗口统计时所对应的时间范围为左闭右开区间, 即[a,b)
int slideNum = (int) Math.floor((currentTime - lastTime) / slotTime);
// 滑动窗口
slideWindow(slideNum);
// 统计滑动后的数组之和
int sum = Arrays.stream(counters).mapToInt(AtomicInteger::get).sum();
// 以达到当前时间窗口的请求阈值, 故被限流直接返回false
if (sum >= limit) {
return false;
} else { // 未达到限流, 故返回true
counters[slotNum - 1].incrementAndGet();
return true;
}
}
/**
* 将数组元素全部向左移动num个位置
*
* @param num
*/
private void slideWindow(int num) {
if (num == 0) {
return;
}
// 数组中所有元素都会被移出, 故直接全部清零
if (num >= slotNum) {
resetCounters();
} else {
// 对于a[0]~a[num-1]而言, 向左移动num个位置后, 则直接被移出了
// 故从a[num]开始移动即可
for (int index = num; index < slotNum; index++) {
// 计算a[index]元素向左移动num个位置后的新位置索引
int newIndex = index - num;
counters[newIndex] = counters[index];
counters[index].getAndSet(0);
}
}
// 更新时间
lastTime = lastTime + num * slotTime;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//例子：5s内只能有50个请求
SlidingWindowRateLimiter rateLimiter = new SlidingWindowRateLimiter(5, 50);
int allNum = 3; // 请求总数
int passNum = 0; // 通过数
int blockNum = 0; // 被限流数
//模拟连续请求
for (int i = 0; i < allNum; i++) {
if (rateLimiter.tryAcquire()) {
passNum++;
} else {
blockNum++;
}
}
System.out.println("请求总数: " + allNum + ", 通过数: " + passNum + ", 被限流数: " + blockNum);
// 延时以准备下一次测试
Thread.sleep(5000);
allNum = 100;
passNum = 0;
blockNum = 0;
//模拟连续请求
for (int i = 0; i < allNum; i++) {
if (rateLimiter.tryAcquire()) {
passNum++;
} else {
blockNum++;
}
}
System.out.println("请求总数: " + allNum + ", 通过数: " + passNum + ", 被限流数: " + blockNum);
}
}
执行结果：
请求总数: 3, 通过数: 3, 被限流数: 0
请求总数: 100, 通过数: 50, 被限流数: 50
（3）优缺点
优点：避免了固定窗口算法可能出现的窗口切换时的流量峰值，使得流量控制更为平滑
缺点：
- 对时间区间精度要求越高，算法所需的空间容量越大，需要更多的计算和存储资源
- 还是存在限流不够平滑的问题。例如：限流是每秒100个，在第一毫秒发送了100个请求，达到限流，剩余窗口时间的请求都将会被拒绝
4、漏桶算法
（1）原理
该算法使用“桶”来比喻，不断有水（请求）进入桶内并以固定速率进行处理，模拟桶中的“泄漏”，当加水速度>漏水速度时，直到某一个时刻，存储桶己满，新的请求将被丢弃，直到有可用空间。
（2）实现
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
* @author YY-帆S
* @Date 2024/3/26 22:46
*/
@Slf4j
public class LeakyBucketRateLimiter {
private AtomicInteger bucketLevel; // 当前桶中的请求数量
private int capacity; // 桶的容量
private long leakRate; // 漏水速率，单位：请求/秒
private long lastLeakTime; // 上一次漏水的时间戳
public LeakyBucketRateLimiter(int capacity, long leakRate) {
this.capacity = capacity;
this.leakRate = leakRate;
this.bucketLevel = new AtomicInteger(0);
this.lastLeakTime = System.currentTimeMillis();
}
public synchronized boolean tryAcquire() {
// 获取当前时间
long currentTime = System.currentTimeMillis();
//流出时间
long elapsedTime = currentTime - lastLeakTime;
//计算流出的水量 = （当前时间 - 上次时间） * 出水速率
long leaked = (long) (elapsedTime * (leakRate / 1000.0));
//只有有流出水才更新时间戳，不然会漏不出水
if (leaked > 0) {
//计算桶内水量 = 桶内当前水量 - 流出的水量
int newLevel = Math.max(0, bucketLevel.get() - (int) leaked);
bucketLevel.set(newLevel);
//更新上次漏水时间戳
lastLeakTime = currentTime;
}
// 尝试将请求加入桶中
if (bucketLevel.get() < capacity) {
bucketLevel.incrementAndGet();
return true;
} else {
return false;
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
LeakyBucketRateLimiter limiter = new LeakyBucketRateLimiter(1, 1); // 容量为1，漏水速率为1请求/秒
// 模拟发送请求
for (int i = 0; i < 20; i++) {
new Thread(() -> {
if (limiter.tryAcquire()) {
log.info(Thread.currentThread().getName() + " 获得了许可，执行操作。");
} else {
log.info(Thread.currentThread().getName() + " 请求被拒绝。");
}
}).start();
//模拟执行时间
Thread.sleep(500);
}
}
}
例子是1s/1个请求，执行结果一致
23:05:15.200 INFO - Thread-0 获得了许可，执行操作。
23:05:15.705 INFO - Thread-1 请求被拒绝。
23:05:16.215 INFO - Thread-2 获得了许可，执行操作。
23:05:16.724 INFO - Thread-3 请求被拒绝。
23:05:17.233 INFO - Thread-4 获得了许可，执行操作。
23:05:17.741 INFO - Thread-5 请求被拒绝。
23:05:18.252 INFO - Thread-6 获得了许可，执行操作。
23:05:18.762 INFO - Thread-7 请求被拒绝。
23:05:19.273 INFO - Thread-8 获得了许可，执行操作。
23:05:19.785 INFO - Thread-9 请求被拒绝。
23:05:20.299 INFO - Thread-10 获得了许可，执行操作。
23:05:20.813 INFO - Thread-11 请求被拒绝。
23:05:21.327 INFO - Thread-12 获得了许可，执行操作。
23:05:21.840 INFO - Thread-13 请求被拒绝。
23:05:22.353 INFO - Thread-14 获得了许可，执行操作。
23:05:22.867 INFO - Thread-15 请求被拒绝。
23:05:23.382 INFO - Thread-16 获得了许可，执行操作。
23:05:23.896 INFO - Thread-17 请求被拒绝。
23:05:24.411 INFO - Thread-18 获得了许可，执行操作。
23:05:24.925 INFO - Thread-19 请求被拒绝。
（3）优缺点
优点：
- 平滑流量输出：漏桶算法可以有效地平滑网络上的突发流量，为网络提供一个稳定的流量输出。通过将流量注入到漏桶中，并根据桶的漏水速率来控制流量的输出，可以确保流量的平稳性。
- 防止流量冲击：由于漏桶具有缓存功能，当流量突发超过设定阈值时，超出的部分可以被暂存在桶中/直接丢弃，从而避免了流量冲击对系统造成的压力。
缺点：
- 灵活性相对较差：漏桶算法的速率是恒定的，不能根据实际需要动态调整。这可能导致在某些情况下，系统无法充分利用网络资源，造成一定的资源浪费。
- 无法应对突发流量：由于漏桶的出口速度是固定的，在面对突发流量时，即使是在流量较小的情况下，仍然是以固定速率处理，也无法以更快的速度处理请求
5、令牌桶算法
（1）原理
与漏桶算法相反，系统以固定的速率往桶里放入令牌，称为令牌桶，如果有请求需要这个令牌，这可以从桶里拿一个，拿到了令牌即允许放行，直到令牌被拿完即令牌不足，则请求需等待或被丢弃。
令牌的数量与时间和发放速率强相关，随着时间流逝，系统会不断往桶里放入更多的令牌，如果放令牌的速度比拿令牌的速度快，则令牌桶最终会被放满。
（2）实现
推荐用Google-Guava的RateLimiter，比较成熟，如上第二点工具有例子，但是Google-Guava的RateLimiter是基于单机的限流工具。
如下基于Redis+lua实现一个令牌桶限流算法，可以实现分布式集群限流的目的。
- 实现代码
lua限流脚本和初始化脚本
-- KEYS[1]: 令牌桶的key，格式为 "rate_limiter:{bucket_key}"
-- ARGV[1]: 请求的令牌数量
-- ARGV[2]: 当前时间戳（可选，用于避免Redis服务器与客户端时间不同步的问题）
local key = KEYS[1] --令牌桶的key
local tokens_requested = tonumber(ARGV[1]) --请求的令牌数量
local now = tonumber(ARGV[2]) or redis.call('TIME')[1] --当前时间戳（可选，用于避免Redis服务器与客户端时间不同步的问题）
-- 获取当前桶中的令牌数和上次刷新时间
local ratelimit_info = redis.call("HMGET", key, "last_refreshed", "current_permits", "capacity", "rate")
local last_refreshed = ratelimit_info[1]
local current_permits = tonumber(ratelimit_info[2])
local capacity = tonumber(ratelimit_info[3]) --桶的容量
local fill_rate = tonumber(ratelimit_info[4]) --每秒添加的令牌数量（即速率）
-- 初始化当前桶容量
local local_curr_permits = capacity;
-- 如果上次刷新时间不存在，则初始化为当前时间
if (last_refreshed == nil or type(last_refreshed) =='boolean') then
last_refreshed = now
redis.call("HMSET", key, "last_refreshed", now);
else
--计算该时间间隔内加入了多少令牌
local reverse_permits = (now - last_refreshed) * fill_rate
if (reverse_permits > 0) then
redis.call("HMSET", key, "last_refreshed", now);
end
--计算当前总共有多少令牌，期望值
local expect_curr_permits = reverse_permits + current_permits
-- 与桶最大容量做对比
local_curr_permits = math.min(expect_curr_permits, capacity);
end
if (local_curr_permits >= tokens_requested) then
local_curr_permits = local_curr_permits - tokens_requested
redis.call("HMSET", key, "current_permits", local_curr_permits);
return 1 -- 表示成功获取令牌
else
redis.call("HMSET", key, "current_permits", local_curr_permits);
return 0 -- 表示获取令牌失败
end
------ 初始化lua ------
local result = 1
redis.pcall("HMSET", KEYS[1],
"last_refreshed", ARGV[1],
"current_permits", ARGV[2],
"capacity", ARGV[3],
"rate", ARGV[4])
return result
Redis+Lua限流核心逻辑：
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;
import org.springframework.data.redis.core.script.DefaultRedisScript;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* @author YY-帆S
* @Date 2024/3/27 11:17
*/
@Slf4j
public class TokenBucketRateLimiter {
//Redis缓存key前缀
private static final String KEY_PREFIX = "TokenRateLimiter:";
/**
* 初始化lua脚本
*/
private static final String rateLimitInitLuaCode = "local result = true\n" +
"redis.pcall(\"HMSET\", KEYS[1],\n" +
" \"capacity\", ARGV[1],\n" +
" \"rate\", ARGV[2])\n" +
"return true";
/**
* 令牌桶锁lua脚本
*/
private static final String rateLimitLuaCode = "" +
"-- KEYS[1]: 令牌桶的key，格式为 \"rate_limiter:{bucket_key}\"\n" +
"-- ARGV[1]: 请求的令牌数量\n" +
"-- ARGV[2]: 当前时间戳（可选，用于避免Redis服务器与客户端时间不同步的问题）\n" +
"\n" +
"local key = KEYS[1] --令牌桶的key\n" +
"local tokens_requested = tonumber(ARGV[1]) --请求的令牌数量\n" +
"local now = tonumber(ARGV[2]) or redis.call('TIME')[1] --当前时间戳（可选，用于避免Redis服务器与客户端时间不同步的问题）\n" +
"\n" +
"-- 获取当前桶中的令牌数和上次刷新时间\n" +
"local ratelimit_info = redis.call(\"HMGET\", key, \"last_refreshed\", \"current_permits\", \"capacity\", \"rate\")\n" +
"local last_refreshed = ratelimit_info[1]\n" +
"local current_permits = tonumber(ratelimit_info[2])\n" +
"local capacity = tonumber(ratelimit_info[3]) --桶的容量\n" +
"local fill_rate = tonumber(ratelimit_info[4]) --每秒添加的令牌数量（即速率）\n" +
"\n" +
"-- 初始化当前桶容量\n" +
"local local_curr_permits = capacity;\n" +
"\n" +
"-- 如果上次刷新时间不存在，则初始化为当前时间\n" +
"if (last_refreshed == nil or type(last_refreshed) =='boolean') then\n" +
" last_refreshed = now\n" +
" redis.call(\"HMSET\", key, \"last_refreshed\", now);\n" +
"else\n" +
" --计算该时间间隔内加入了多少令牌\n" +
" local reverse_permits = (now - last_refreshed)* fill_rate\n" +
" if (reverse_permits > 0) then\n" +
" redis.call(\"HMSET\", key, \"last_refreshed\", now);\n" +
" end\n" +
"\n" +
" --计算当前总共有多少令牌，期望值\n" +
" local expect_curr_permits = reverse_permits + current_permits\n" +
" -- 与桶最大容量做对比\n" +
" local_curr_permits = math.min(expect_curr_permits, capacity);\n" +
"end\n" +
"\n" +
"if(local_curr_permits >= tokens_requested) then\n" +
" local_curr_permits = local_curr_permits - tokens_requested\n" +
" redis.call(\"HMSET\", key, \"current_permits\", local_curr_permits);\n" +
" return true -- 表示成功获取令牌\n" +
"else\n" +
" redis.call(\"HMSET\", key, \"current_permits\", local_curr_permits);\n" +
" return false -- 表示获取令牌失败\n" +
"end\n";
RedisTemplate redisTemplate;
//初始化构造器
public TokenBucketRateLimiter(RedisTemplate redisTemplate, int permitsPerSecond, String bucketKey) {
//初始化构造信息
List<String> keys = new ArrayList<>();
keys.add(getRateLimiterKey(bucketKey));
this.redisTemplate = redisTemplate;
DefaultRedisScript<Boolean> redisScript = new DefaultRedisScript<>(rateLimitInitLuaCode, Boolean.class);
this.redisTemplate.execute(redisScript, keys, String.valueOf(permitsPerSecond), String.valueOf(permitsPerSecond));
}
//构造令牌桶缓存key
public String getRateLimiterKey(String bucketKey) {
return KEY_PREFIX + bucketKey;
}
//默认一次拿一个令牌
public boolean tryAcquire(String bucketKey) {
return tryAcquire(1, bucketKey);
}
/**
* 核心逻辑，获取令牌桶数据
* @param request
* @param bucketKey
* @return
*/
public boolean tryAcquire(int request, String bucketKey) {
DefaultRedisScript<Boolean> redisScript = new DefaultRedisScript<>(rateLimitLuaCode, Boolean.class);
List<String> keys = new ArrayList<>();
keys.add(getRateLimiterKey(bucketKey));
return (boolean) this.redisTemplate.execute(redisScript, keys, String.valueOf(request), String.valueOf(System.currentTimeMillis() / 1000));
}
}
2. 测试代码
import com.bigo.web.live.TimeUtil;
import com.bigo.web.yummy.center.dao.redis.RedisDao;
import com.bigo.web.yummy.inner.Application;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.Test;
import org.junit.runner.RunWith;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;
import org.springframework.test.context.junit4.SpringRunner;
import javax.annotation.Resource;
/**
* @author YY-帆S
* @Date 2024/3/27 13:25
*/
@RunWith(SpringRunner.class)
@SpringBootTest(classes = Application.class)
@Slf4j
public class TokenBucketRateLimiterTest {
@Resource
RedisDao redisDao;
@Test
public void testTokenBucketRateLimiter() throws InterruptedException {
//令牌桶
String bucketKey = "yyfsTest";
// 每秒新增3个桶
TokenBucketRateLimiter limiter = new TokenBucketRateLimiter(redisDao.getLongCodis().getRedisTemplate(), 3, bucketKey);
// 模拟发送请求
int allNum = 4; // 请求总数
//模拟连续请求
for (int i = 0; i < allNum; i++) {
if (limiter.tryAcquire(bucketKey)) {
System.out.println(TimeUtil.parseTimestampToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss", System.currentTimeMillis()) + " 获得了许可，执行操作。");
} else {
System.out.println(TimeUtil.parseTimestampToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss", System.currentTimeMillis()) + " 请求被拒绝。");
}
}
// 延时以准备下一次测试
Thread.sleep(5000);
allNum = 20;
for (int i = 0; i < allNum; i++) {
if (limiter.tryAcquire(bucketKey)) {
System.out.println(TimeUtil.parseTimestampToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss", System.currentTimeMillis()) + " 获得了许可，执行操作。");
} else {
System.out.println(TimeUtil.parseTimestampToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss", System.currentTimeMillis()) + " 请求被拒绝。");
}
Thread.sleep(200);
}
}
}
初始化结果
执行过程结果
执行输出结果
（3）优缺点
优点：
- 应对突发流量：令牌桶算法允许流量突发，当桶满时，系统能以最大的速度处理请求
- 灵活性：算法允许根据实际需求调整令牌生成速率和令牌桶大小等参数
- 限制平均速度：长期运行的服务，数据处理速度最终会动态平衡，限制在预定义的平均速率，即生成令牌的速率
缺点：
- 导致过载的可能性：要控制令牌的产生速度，如果令牌产生的速度过快，可能会导致大量的突发流量，这可能会使网络或服务过载。
- 内存资源限制：令牌桶需要一定的存储空间来保存令牌，可能会导致内存资源的浪费。且对于特别频繁的请求，令牌桶算法可能会占用较多的计算资源，增加系统负担。
- 实现稍复杂：相比于计数器等其他限流算法，令牌桶算法的实现稍微复杂一些
参考文档：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/494782784
https://blog.csdn.net/weixin_45583158/article/details/135664278
文章来源:https://blog.csdn.net/u010365335/article/details/136985462
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