六種限流實現，附代碼！[通俗易懂]
限流是一種控制訪問速率的策略，用于限制系統、服務或API接口的請求頻率或數量。它的目的是為了保護系統免受過多請求的影響，防止系統因過載而崩潰或變得不可用。限流是一種重要的性能優化和資源保護機制。
限流的好處有以下幾個：
- 保護系統穩定性：如果系統接受太多請求，超出了其處理能力，可能導致系統崩潰或響應時間急劇增加，從而影響用戶體驗。限流可以幫助控制請求速率，確保系統穩定運行。
- 保護系統可用性：有些資源可能是有限的，如數據庫連接、網絡帶寬、內存等。通過限制對這些資源的訪問，可以防止它們被耗盡，從而保護系統的可用性。
- 防止惡意攻擊：限流可以減少惡意攻擊和濫用系統資源的風險。例如，防止 DDoS（分布式拒絕服務）攻擊或惡意爬蟲訪問網站。
- 公平分配資源：對于多個客戶或用戶，限流可以確保資源公平分配。每個客戶都有限制的訪問機會，而不會被某個客戶壟斷。
- 避免雪崩效應：當系統中的一個組件或服務發生故障時，可能會導致大量請求涌入其他正常的組件或服務，進一步加劇系統負載，限流可以防止這種雪崩效應。
限流分類
限流的實現方案有很多種，磊哥這里稍微理了一下，限流的分類如下所示：
- 合法性驗證限流：比如驗證碼、IP 黑名單等，這些手段可以有效的防止惡意攻擊和爬蟲采集。
- 容器限流：比如 Tomcat、Nginx 等限流手段，其中 Tomcat 可以設置最大線程數（maxThreads），當并發超過最大線程數會排隊等待執行；而 Nginx 提供了兩種限流手段：一是控制速率，二是控制并發連接數。
- 服務端限流：比如我們在服務器端通過限流算法實現限流，此項也是我們本文介紹的重點。
合法性驗證限流為最常規的業務代碼，就是普通的驗證碼和 IP 黑名單系統，本文就不做過多的敘述了，我們重點來看下后兩種限流的實現方案：容器限流和服務端限流。
一、容器限流
1. Tomcat 限流
Tomcat 8.5 版本的最大線程數在 conf/server.xml 配置中，如下所示：
<Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1"
connectionTimeout="20000"
maxThreads="150"
redirectPort="8443" />其中 maxThreads 就是 Tomcat 的最大線程數，當請求的并發大于此值（maxThreads）時，請求就會排隊執行，這樣就完成了限流的目的。
小貼士：maxThreads 的值可以適當的調大一些，此值默認為 150（Tomcat 版本 8.5.42），但這個值也不是越大越好，要看具體的硬件配置，需要注意的是每開啟一個線程需要耗用 1MB 的 JVM 內存空間用于作為線程棧之用，并且線程越多 GC 的負擔也越重。最后需要注意一下，操作系統對于進程中的線程數有一定的限制，Windows 每個進程中的線程數不允許超過 2000，Linux 每個進程中的線程數不允許超過 1000。
2. Nginx 限流
Nginx 提供了兩種限流手段：一是控制速率，二是控制并發連接數。
(1) 控制速率
我們需要使用 limit_req_zone 用來限制單位時間內的請求數，即速率限制，示例配置如下：
limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server {
location / {
limit_req zone=mylimit;
}
}以上配置表示，限制每個 IP 訪問的速度為 2r/s，因為 Nginx 的限流統計是基于毫秒的，我們設置的速度是 2r/s，轉換一下就是 500ms 內單個 IP 只允許通過 1 個請求，從 501ms 開始才允許通過第 2 個請求。
我們使用單 IP 在 10ms 內發并發送了 6 個請求的執行結果如下：
從以上結果可以看出他的執行符合我們的預期，只有 1 個執行成功了，其他的 5 個被拒絕了（第 2 個在 501ms 才會被正常執行）。速率限制升級版上面的速率控制雖然很精準但是應用于真實環境未免太苛刻了，真實情況下我們應該控制一個 IP 單位總時間內的總訪問次數，而不是像上面那么精確但毫秒，我們可以使用 burst 關鍵字開啟此設置，示例配置如下：
limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server {
location / {
limit_req zone=mylimit burst=4;
}
}burst=4 表示每個 IP 最多允許4個突發請求，如果單個 IP 在 10ms 內發送 6 次請求的結果如下：
從以上結果可以看出，有 1 個請求被立即處理了，4 個請求被放到 burst 隊列里排隊執行了，另外 1 個請求被拒絕了。
(2) 控制并發數
利用 limit_conn_zone 和 limit_conn 兩個指令即可控制并發數，示例配置如下：
limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=perip:10m;
limit_conn_zone $server_name zone=perserver:10m;
server {
...
limit_conn perip 10;
limit_conn perserver 100;
}其中 limit_conn perip 10 表示限制單個 IP 同時最多能持有 10 個連接；limit_conn perserver 100 表示 server 同時能處理并發連接的總數為 100 個。
小貼士：只有當 request header 被后端處理后，這個連接才進行計數。
二、服務端限流
服務端限流需要配合限流的算法來執行，而算法相當于執行限流的“大腦”，用于指導限制方案的實現。
有人看到「算法」兩個字可能就暈了，覺得很深奧，其實并不是，算法就相當于操作某個事務的具體實現步驟匯總，其實并不難懂，不要被它的表象給嚇到哦~
限流的常見實現算法有以下三種：
- 時間窗口算法
- 漏桶算法
- 令牌算法
接下來我們分別看來。
1. 時間窗口算法
所謂的滑動時間算法指的是以當前時間為截止時間，往前取一定的時間，比如往前取 60s 的時間，在這 60s 之內運行最大的訪問數為 100，此時算法的執行邏輯為，先清除 60s 之前的所有請求記錄，再計算當前集合內請求數量是否大于設定的最大請求數 100，如果大于則執行限流拒絕策略，否則插入本次請求記錄并返回可以正常執行的標識給客戶端。
滑動時間窗口如下圖所示：
其中每一小個表示 10s，被紅色虛線包圍的時間段則為需要判斷的時間間隔，比如 60s 秒允許 100 次請求，那么紅色虛線部分則為 60s。
我們可以借助 Redis 的有序集合 ZSet 來實現時間窗口算法限流，實現的過程是先使用 ZSet 的 key 存儲限流的 ID，score 用來存儲請求的時間，每次有請求訪問來了之后，先清空之前時間窗口的訪問量，統計現在時間窗口的個數和最大允許訪問量對比，如果大于等于最大訪問量則返回 false 執行限流操作，負責允許執行業務邏輯，并且在 ZSet 中添加一條有效的訪問記錄，具體實現代碼如下。
我們借助 Jedis 包來操作 Redis，實現在 pom.xml 添加 Jedis 框架的引用，配置如下：
<!-- https://mvnrepository.com/artifact/redis.clients/jedis -->
<dependency>
<groupId>redis.clients</groupId>
<artifactId>jedis</artifactId>
<version>3.3.0</version>
</dependency>具體的 Java 實現代碼如下：
import redis.clients.jedis.Jedis;
public class RedisLimit {
// Redis 操作客戶端
static Jedis jedis = new Jedis("127.0.0.1", 6379);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 15; i++) {
boolean res = isPeriodLimiting("java", 3, 10);
if (res) {
System.out.println("正常執行請求：" + i);
} else {
System.out.println("被限流：" + i);
}
}
// 休眠 4s
Thread.sleep(4000);
// 超過最大執行時間之后，再從發起請求
boolean res = isPeriodLimiting("java", 3, 10);
if (res) {
System.out.println("休眠后，正常執行請求");
} else {
System.out.println("休眠后，被限流");
}
}
/**
* 限流方法（滑動時間算法）
* @param key 限流標識
* @param period 限流時間范圍（單位：秒）
* @param maxCount 最大運行訪問次數
* @return
*/
private static boolean isPeriodLimiting(String key, int period, int maxCount) {
long nowTs = System.currentTimeMillis(); // 當前時間戳
// 刪除非時間段內的請求數據（清除老訪問數據，比如 period=60 時，標識清除 60s 以前的請求記錄）
jedis.zremrangeByScore(key, 0, nowTs - period * 1000);
long currCount = jedis.zcard(key); // 當前請求次數
if (currCount >= maxCount) {
// 超過最大請求次數，執行限流
return false;
}
// 未達到最大請求數，正常執行業務
jedis.zadd(key, nowTs, "" + nowTs); // 請求記錄 +1
return true;
}
}以上程序的執行結果為：
- 正常執行請求：0
- 正常執行請求：1
- 正常執行請求：2
- 正常執行請求：3
- 正常執行請求：4
- 正常執行請求：5
- 正常執行請求：6
- 正常執行請求：7
- 正常執行請求：8
- 正常執行請求：9
- 被限流：10
- 被限流：11
- 被限流：12
- 被限流：13
- 被限流：14
- 休眠后，正常執行請求
此實現方式存在的缺點有兩個：
- 使用 ZSet 存儲有每次的訪問記錄，如果數據量比較大時會占用大量的空間，比如 60s 允許 100W 訪問時；
- 此代碼的執行非原子操作，先判斷后增加，中間空隙可穿插其他業務邏輯的執行，最終導致結果不準確。
2. 漏桶算法
漏桶算法的靈感源于漏斗，如下圖所示：
image.png
滑動時間算法有一個問題就是在一定范圍內，比如 60s 內只能有 10 個請求，當第一秒時就到達了 10 個請求，那么剩下的 59s 只能把所有的請求都給拒絕掉，而漏桶算法可以解決這個問題。
漏桶算法類似于生活中的漏斗，無論上面的水流倒入漏斗有多大，也就是無論請求有多少，它都是以均勻的速度慢慢流出的。當上面的水流速度大于下面的流出速度時，漏斗會慢慢變滿，當漏斗滿了之后就會丟棄新來的請求;當上面的水流速度小于下面流出的速度的話，漏斗永遠不會被裝滿，并且可以一直流出。
漏桶算法的實現步驟是，先聲明一個隊列用來保存請求，這個隊列相當于漏斗，當隊列容量滿了之后就放棄新來的請求，然后重新聲明一個線程定期從任務隊列中獲取一個或多個任務進行執行，這樣就實現了漏桶算法。
上面我們演示 Nginx 的控制速率其實使用的就是漏桶算法，當然我們也可以借助 Redis 很方便的實現漏桶算法。
我們可以使用 Redis 4.0 版本中提供的 Redis-Cell 模塊，該模塊使用的是漏斗算法，并且提供了原子的限流指令，而且依靠 Redis 這個天生的分布式程序就可以實現比較完美的限流了。Redis-Cell 實現限流的方法也很簡單，只需要使用一條指令 cl.throttle 即可，使用示例如下：
> cl.throttle mylimit 15 30 60
1）（integer）0 # 0 表示獲取成功，1 表示拒絕
2）（integer）15 # 漏斗容量
3）（integer）14 # 漏斗剩余容量
4）（integer）-1 # 被拒絕之后，多長時間之后再試（單位：秒）-1 表示無需重試
5）（integer）2 # 多久之后漏斗完全空出來其中 15 為漏斗的容量，30 / 60s 為漏斗的速率。
3. 令牌算法
在令牌桶算法中有一個程序以某種恒定的速度生成令牌，并存入令牌桶中，而每個請求需要先獲取令牌才能執行，如果沒有獲取到令牌的請求可以選擇等待或者放棄執行，如下圖所示：
我們可以使用 Google 開源的 guava 包，很方便的實現令牌桶算法，首先在 pom.xml 添加 guava 引用，配置如下：
> cl.throttle mylimit 15 30 60
1）（integer）0 # 0 表示獲取成功，1 表示拒絕
2）（integer）15 # 漏斗容量
3）（integer）14 # 漏斗剩余容量
4）（integer）-1 # 被拒絕之后，多長時間之后再試（單位：秒）-1 表示無需重試
5）（integer）2 # 多久之后漏斗完全空出來具體實現代碼如下：
import com.google.common.util.concurrent.RateLimiter;
import java.time.Instant;
/**
* Guava 實現限流
*/
public class RateLimiterExample {
public static void main(String[] args) {
// 每秒產生 10 個令牌（每 100 ms 產生一個）
RateLimiter rt = RateLimiter.create(10);
for (int i = 0; i < 11; i++) {
new Thread(() -> {
// 獲取 1 個令牌
rt.acquire();
System.out.println("正常執行方法，ts:" + Instant.now());
}).start();
}
}
}以上程序的執行結果為：
- 正常執行方法，ts:2023-05-15T14:46:37.175Z
- 正常執行方法，ts:2023-05-15T14:46:37.237Z
- 正常執行方法，ts:2023-05-15T14:46:37.339Z
- 正常執行方法，ts:2023-05-15T14:46:37.442Z
- 正常執行方法，ts:2023-05-15T14:46:37.542Z
- 正常執行方法，ts:2023-05-15T14:46:37.640Z
- 正常執行方法，ts:2023-05-15T14:46:37.741Z
- 正常執行方法，ts:2023-05-15T14:46:37.840Z
- 正常執行方法，ts:2023-05-15T14:46:37.942Z
- 正常執行方法，ts:2023-05-15T14:46:38.042Z
- 正常執行方法，ts:2023-05-15T14:46:38.142Z
從以上結果可以看出令牌確實是每 100ms 產生一個，而 acquire() 方法為阻塞等待獲取令牌，它可以傳遞一個 int 類型的參數，用于指定獲取令牌的個數。它的替代方法還有 tryAcquire()，此方法在沒有可用令牌時就會返回 false 這樣就不會阻塞等待了。當然 tryAcquire() 方法也可以設置超時時間，未超過最大等待時間會阻塞等待獲取令牌，如果超過了最大等待時間，還沒有可用的令牌就會返回 false。
注意：使用 guava 實現的令牌算法屬于程序級別的單機限流方案，而上面使用 Redis-Cell 的是分布式的限流方案。
小結
本文提供了 6 種具體的實現限流的手段，他們分別是：Tomcat 使用 maxThreads 來實現限流；Nginx 提供了兩種限流方式，一是通過 limit_req_zone 和 burst 來實現速率限流，二是通過 limit_conn_zone 和 limit_conn 兩個指令控制并發連接的總數。最后我們講了時間窗口算法借助 Redis 的有序集合可以實現，還有漏桶算法可以使用 Redis-Cell 來實現，以及令牌算法可以解決 Google 的 guava 包來實現。
需要注意的是借助 Redis 實現的限流方案可用于分布式系統，而 guava 實現的限流只能應用于單機環境。如果你嫌棄服務器端限流麻煩，甚至可以在不改代碼的情況下直接使用容器限流（Nginx 或 Tomcat），但前提是能滿足你的業務需求。
