令牌桶算法限流

限流

限流是对某一时间窗口内的请求数进行限制，保持系统的可用性和稳定性，防止因流量暴增而导致的系统运行缓慢或宕机。常用的限流算法有令牌桶和和漏桶，而Google开源项目Guava中的RateLimiter使用的就是令牌桶控制算法。

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

我们经常在调别人的接口的时候会发现有限制，比如微信公众平台接口、百度API Store、聚合API等等这样的，对方会限制每天最多调多少次或者每分钟最多调多少次

我们自己在开发系统的时候也需要考虑到这些，比如我们公司在上传商品的时候就做了限流，因为用户每一次上传商品，我们需要将商品数据同到到美团、饿了么、京东、百度、自营等第三方平台，这个工作量是巨大，频繁操作会拖慢系统，故做限流。

以上都是题外话，接下来我们重点看一下令牌桶算法

令牌桶算法

下面是从网上找的两张图来描述令牌桶算法：

   

RateLimiter

RateLimiter的代码不长，注释加代码432行，看一下RateLimiter怎么用

 1 package com.cjs.example;
 2 
 3 import com.google.common.util.concurrent.RateLimiter;
 4 import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
 5 import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
 6 
 7 import java.text.SimpleDateFormat;
 8 import java.util.Date;
 9 
10 @RestController
11 public class HelloController {
12 
13     private static final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");
14 
15     private static final RateLimiter rateLimiter = RateLimiter.create(2);
16 
17     /**
18      * tryAcquire尝试获取permit，默认超时时间是0，意思是拿不到就立即返回false
19      */
20     @RequestMapping("/sayHello")
21     public String sayHello() {
22         if (rateLimiter.tryAcquire()) { //  一次拿1个
23             System.out.println(sdf.format(new Date()));
24             try {
25                 Thread.sleep(500);
26             } catch (InterruptedException e) {
27                 e.printStackTrace();
28             }
29         }else {
30             System.out.println("limit");
31         }
32         return "hello";
33     }
34 
35     /**
36      * acquire拿不到就等待，拿到为止
37      */
38     @RequestMapping("/sayHi")
39     public String sayHi() {
40         rateLimiter.acquire(5); //  一次拿5个
41         System.out.println(sdf.format(new Date()));
42         return "hi";
43     }
44 
45 }

关于RateLimiter：

• A rate limiter。每个acquire()方法如果必要的话会阻塞直到一个permit可用，然后消费它。获得permit以后不需要释放。
• RateLimiter在并发环境下使用是安全的：它将限制所有线程调用的总速率。注意，它不保证公平调用。
• RateLimiter在并发环境下使用是安全的：它将限制所有线程调用的总速率。注意，它不保证公平调用。Rate limiter（直译为：速度限制器）经常被用来限制一些物理或者逻辑资源的访问速率。这和java.util.concurrent.Semaphore正好形成对照。
• 一个RateLimiter主要定义了发放permits的速率。如果没有额外的配置，permits将以固定的速度分配，单位是每秒多少permits。默认情况下，Permits将会被稳定的平缓的发放。
• 可以配置一个RateLimiter有一个预热期，在此期间permits的发放速度每秒稳步增长直到到达稳定的速率

基本用法：

final RateLimiter rateLimiter = RateLimiter.create(2.0); // rate is "2 permits per second"
void submitTasks(List<Runnable> tasks, Executor executor) {
    for (Runnable task : tasks) {
        rateLimiter.acquire(); // may wait
        executor.execute(task);
    }
}

实现

SmoothBursty以稳定的速度生成permit

SmoothWarmingUp是渐进式的生成，最终达到最大值趋于稳定

源码片段解读：

public abstract class RateLimiter {

    /**
     * 用给定的吞吐量（“permits per second”）创建一个RateLimiter。
     * 通常是QPS
     */
    public static RateLimiter create(double permitsPerSecond) {
        return create(permitsPerSecond, SleepingStopwatch.createFromSystemTimer());
    }
    
    static RateLimiter create(double permitsPerSecond, SleepingStopwatch stopwatch) {
        RateLimiter rateLimiter = new SmoothBursty(stopwatch, 1.0 /* maxBurstSeconds */);
        rateLimiter.setRate(permitsPerSecond);
        return rateLimiter;
    }
    
    /**
     * 用给定的吞吐量(QPS)和一个预热期创建一个RateLimiter
     */
    public static RateLimiter create(double permitsPerSecond, long warmupPeriod, TimeUnit unit) {
        checkArgument(warmupPeriod >= 0, "warmupPeriod must not be negative: %s", warmupPeriod);
        return create(permitsPerSecond, warmupPeriod, unit, 3.0, SleepingStopwatch.createFromSystemTimer());
    }

    static RateLimiter create(
            double permitsPerSecond,
            long warmupPeriod,
            TimeUnit unit,
            double coldFactor,
            SleepingStopwatch stopwatch) {
        RateLimiter rateLimiter = new SmoothWarmingUp(stopwatch, warmupPeriod, unit, coldFactor);
        rateLimiter.setRate(permitsPerSecond);
        return rateLimiter;
    }

    private final SleepingStopwatch stopwatch;

    //    锁
    private volatile Object mutexDoNotUseDirectly;

    private Object mutex() {
        Object mutex = mutexDoNotUseDirectly;
        if (mutex == null) {
            synchronized (this) {
                mutex = mutexDoNotUseDirectly;
                if (mutex == null) {
                    mutexDoNotUseDirectly = mutex = new Object();
                }
            }
        }
        return mutex;
    }
    
    /**
     * 从RateLimiter中获取一个permit，阻塞直到请求可以获得为止
     * @return 休眠的时间，单位是秒，如果没有被限制则是0.0
     */
    public double acquire() {
        return acquire(1);
    }
  
    /**
     * 从RateLimiter中获取指定数量的permits，阻塞直到请求可以获得为止
     */
    public double acquire(int permits) {
        long microsToWait = reserve(permits);
        stopwatch.sleepMicrosUninterruptibly(microsToWait);
        return 1.0 * microsToWait / SECONDS.toMicros(1L);
    }
    
    /**
     * 预定给定数量的permits以备将来使用
     * 直到这些预定数量的permits可以被消费则返回逝去的微秒数
     */
    final long reserve(int permits) {
        checkPermits(permits);
        synchronized (mutex()) {
            return reserveAndGetWaitLength(permits, stopwatch.readMicros());
        }
    }
    
    private static void checkPermits(int permits) {
        checkArgument(permits > 0, "Requested permits (%s) must be positive", permits);
    }
    
    final long reserveAndGetWaitLength(int permits, long nowMicros) {
        long momentAvailable = reserveEarliestAvailable(permits, nowMicros);
        return max(momentAvailable - nowMicros, 0);
    }
}


abstract class SmoothRateLimiter extends RateLimiter {
    
    /** The currently stored permits. */
    double storedPermits;

    /** The maximum number of stored permits. */
    double maxPermits;

    /**
     * The interval between two unit requests, at our stable rate. E.g., a stable rate of 5 permits
     * per second has a stable interval of 200ms.
     */
    double stableIntervalMicros;
    
    /**
     * The time when the next request (no matter its size) will be granted. After granting a request,
     * this is pushed further in the future. Large requests push this further than small requests.
     */
    private long nextFreeTicketMicros = 0L; // could be either in the past or future
    
    final long reserveEarliestAvailable(int requiredPermits, long nowMicros) {
        resync(nowMicros);
        long returnValue = nextFreeTicketMicros;
        double storedPermitsToSpend = min(requiredPermits, this.storedPermits);    //    本次可以获取到的permit数量
        double freshPermits = requiredPermits - storedPermitsToSpend;    //    差值，如果存储的permit大于本次需要的permit数量则此处是0，否则是一个正数
        long waitMicros =
            storedPermitsToWaitTime(this.storedPermits, storedPermitsToSpend)
                + (long) (freshPermits * stableIntervalMicros);    //    计算需要等待的时间（微秒）

        this.nextFreeTicketMicros = LongMath.saturatedAdd(nextFreeTicketMicros, waitMicros);
        this.storedPermits -= storedPermitsToSpend;    //    减去本次消费的permit数
        return returnValue;
    }
    
    void resync(long nowMicros) {
        // if nextFreeTicket is in the past, resync to now
        if (nowMicros > nextFreeTicketMicros) {    //    表示当前可以获得permit
            double newPermits = (nowMicros - nextFreeTicketMicros) / coolDownIntervalMicros();    //    计算这段时间可以生成多少个permit
            storedPermits = min(maxPermits, storedPermits + newPermits);    //    如果超过maxPermit，则取maxPermit，否则取存储的permit+新生成的permit
            nextFreeTicketMicros = nowMicros;    //    设置下一次可以获得permit的时间点为当前时间
        }
    }
}

RateLimiter实现的令牌桶算法，不仅可以应对正常流量的限速，而且可以处理突发暴增的请求，实现平滑限流。

通过代码，我们可以看到它可以预消费，怎么讲呢

nextFreeTicketMicros表示下一次请求获得permits的最早时间。每次授权一个请求以后，这个值会向后推移（PS：想象一下时间轴）即向未来推移。因此，大的请求会比小的请求推得更。这里的大小指的是获取permit的数量。这个应该很好理解，因为上一次请求获取的permit数越多，那么下一次再获取授权时更待的时候会更长，反之，如果上一次获取的少，那么时间向后推移的就少，下一次获得许可的时间更短。可见，都是有代价的。正所谓：要浪漫就要付出代价。

还要注意到一点，就是获取令牌和处理请求是两个动作，而且，并不是每一次都获取一个，也不要想当然的认为一个请求获取一个permit（或者叫令牌），可以再看看前面那幅图

Stopwatch

一个以纳秒为单位度量流逝时间的对象。它是一个相对时间，而不是绝对时间。

Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
System.out.println("hahah");
stopwatch.stop();
Duration duration = stopwatch.elapsed();
System.out.println(stopwatch);

Semaphore（信号量）

A counting semaphore. Conceptually, a semaphore maintains a set of permits. Each acquire() blocks if necessary until a permit is available, and then takes it. Each release() adds a permit, potentially releasing a blocking acquirer. However, no actual permit objects are used; the Semaphore just keeps a count of the number available and acts accordingly. 

一个信号量维护了一系列permits。

每次调用acquire()方法获取permit，如果必要的话会阻塞直到有一个permit可用为止。

调用release()方法则会释放自己持有的permit，即用完了再还回去。

信号量限制的是并发访问临界资源的线程数。

令牌桶算法 VS 漏桶算法

漏桶

漏桶的出水速度是恒定的，那么意味着如果瞬时大流量的话，将有大部分请求被丢弃掉（也就是所谓的溢出）。

令牌桶

生成令牌的速度是恒定的，而请求去拿令牌是没有速度限制的。这意味，面对瞬时大流量，该算法可以在短时间内请求拿到大量令牌，而且拿令牌的过程并不是消耗很大的事情。

最后，不论是对于令牌桶拿不到令牌被拒绝，还是漏桶的水满了溢出，都是为了保证大部分流量的正常使用，而牺牲掉了少部分流量，这是合理的，如果因为极少部分流量需要保证的话，那么就可能导致系统达到极限而挂掉，得不偿失。

小定律：排队理论

the long-term average number L of customers in a stationary system is equal to the long-term average effective arrival rate λ multiplied by the average time W that a customer spends in the system. Expressed algebraically the law is：

在一个固定系统中，顾客的长期平均数量L等于顾客的长期平均到达速率λ乘以顾客在系统中平均花费的时间W。用公式表示为：

虽然这看起来很容易，但这是一个非常显著的举世瞩目的结果，因为这种关系“不受到达过程的分布，服务分布，服务顺序，或其他任何因素的影响”。这个结果适用于任何系统，特别是适用于系统内的系统。唯一的要求是系统必须是稳定的非抢占式的。

例子

例1：找响应时间

假设有一个应用程序没有简单的方法来度量响应时间。如果系统的平均数量和吞吐量是已知的，那么平均响应时间就是：

mean response time = mean number in system / mean throughput

平均响应时间 = 系统的平均数量 / 平均吞吐量.

 

例2：顾客在店里

想象一下，一家小商店只有一个柜台和一个可供浏览的区域，每次只能有一个人在柜台，并且没有人不买东西就离开。

所以这个系统大致是：进入 --> 浏览 --> 柜台结账 --> 离开

在一个稳定的系统中，人们进入商店的速度就是他们到达商店的速度（我们叫做到达速度），它们离开的速度叫做离开速度。

相比之下，到达速度超过离开速度代表是一个不稳定的系统，这就会造成等待的顾客数量将逐渐增加到无穷大。

前面的小定律告诉我们，商店的平均顾客数量L等于有效的到达速度λ乘以顾客在商店的平均停留时间W。用公式表示为：

假设，顾客以每小时10个的速度到达，并且平均停留时间是0.5小时。那么这就意味着，任意时间商店的平均顾客数量是5

现在假设商店正在考虑做更多的广告，把到达率提高到每小时20。商店必须准备好容纳平均10人，或者必须将每个顾客在商店中的时间减少到0.25小时。商店可以通过更快地结帐或者增加更多的柜台来达到后者的目的。

我们可以把前面的小定律应用到商店系统中。例如，考虑柜台和在柜台前排的队。假设平均有2个人在柜台前排队，我们知道顾客到达速度是每小时10，所以顾客平均必须停留时间为0.2小时。

最后

这是单机（单进程）的限流，是JVM级别的的限流，所有的令牌生成都是在内存中，在分布式环境下不能直接这么用。

如果我们能把permit放到Redis中就可以在分布式环境中用了。

参考