流量限制:计数器、泄漏桶、令牌桶 三大算法的原理与实践(史上最全) - 令牌桶流量限制
令牌桶算法以一个设定的速率产生令牌并放入令牌桶,每次用户请求都得申请令牌,如果令牌不足,则拒绝请求。
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,如图所示。
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。
令牌桶算法
令牌桶与漏桶相似,不同的是令牌桶桶中放了一些令牌,服务请求到达后,要获取令牌之后才会得到服务,举个例子,我们平时去食堂吃饭,都是在食堂内窗口前排队的,这就好比是漏桶算法,大量的人员聚集在食堂内窗口外,以一定的速度享受服务,如果涌进来的人太多,食堂装不下了,可能就有一部分人站到食堂外了,这就没有享受到食堂的服务,称之为溢出,溢出可以继续请求,也就是继续排队,那么这样有什么问题呢?
如果这时候有特殊情况,比如有些赶时间的志愿者啦、或者高三要高考啦,这种情况就是突发情况,如果也用漏桶算法那也得慢慢排队,这也就没有解决我们的需求,对于很多应用场景来说,除了要求能够限制数据的平均传输速率外,还要求允许某种程度的突发传输。这时候漏桶算法可能就不合适了,令牌桶算法更为适合。如图所示,令牌桶算法的原理是系统会以一个恒定的速度往桶里放入令牌,而如果请求需要被处理,则需要先从桶里获取一个令牌,当桶里没有令牌可取时,则拒绝服务。
令牌桶算法实现
package com.crazymaker.springcloud.ratelimit;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.Test;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
// 令牌桶 限速
@Slf4j
public class TokenBucketLimiter {
// 上一次令牌发放时间
public long lastTime = System.currentTimeMillis();
// 桶的容量
public int capacity = 2;
// 令牌生成速度 /s
public int rate = 2;
// 当前令牌数量
public AtomicInteger tokens = new AtomicInteger(0);
;
//返回值说明:
// false 没有被限制到
// true 被限流
public synchronized boolean isLimited(long taskId, int applyCount) {
long now = System.currentTimeMillis();
//时间间隔,单位为 ms
long gap = now - lastTime;
//计算时间段内的令牌数
int reverse_permits = (int) (gap * rate / 1000);
int all_permits = tokens.get() + reverse_permits;
// 当前令牌数
tokens.set(Math.min(capacity, all_permits));
log.info("tokens {} capacity {} gap {} ", tokens, capacity, gap);
if (tokens.get() < applyCount) {
// 若拿不到令牌,则拒绝
// log.info("被限流了.." + taskId + ", applyCount: " + applyCount);
return true;
} else {
// 还有令牌,领取令牌
tokens.getAndAdd( - applyCount);
lastTime = now;
// log.info("剩余令牌.." + tokens);
return false;
}
}
//线程池,用于多线程模拟测试
private ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
@Test
public void testLimit() {
// 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++) {
long taskId = Thread.currentThread().getId();
boolean intercepted = isLimited(taskId, 1);
if (intercepted) {
// 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
log.info("限制的次数为:" + limited.get() +
",通过的次数为:" + (threads * turns - limited.get()));
log.info("限制的比例为:" + (float) limited.get() / (float) (threads * turns));
log.info("运行的时长为:" + time);
}
}
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。
Guava RateLimiter
Guava
是Java领域优秀的开源项目,它包含了Google在Java项目中使用一些核心库,包含集合(Collections),缓存(Caching),并发编程库(Concurrency),常用注解(Common annotations),String操作,I/O操作方面的众多非常实用的函数。 Guava的 RateLimiter
提供了令牌桶算法实现:平滑突发限流(SmoothBursty)和平滑预热限流(SmoothWarmingUp)实现。
RateLimiter
的类图如上所示,
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