Empat algoritma pengehad semasa dan pelaksanaan kod yang diedarkan

Mendekati had semasa dengan soalan

Mengapa kita harus mengehadkan arus?

Seperti yang saya katakan di atas, lebih banyak trafik memang satu perkara yang baik, tetapi jika ia terlebih muatan dan sistem hang, semua orang akan menderita.

IT tidak pergi lagi, sebelum pelbagai aktiviti promosi utama, adalah perlu untuk menguji sistem, menilai puncak QPs keseluruhan sistem, dan membuat beberapa tetapan mengehadkan semasa. , ia akan menolak untuk memproses atau Menangguhkan pemprosesan untuk mengelakkan sistem hang-up.

Apakah perbezaan antara pengehadan semasa dan peleburan?

Penghadan trafik berlaku sebelum trafik masuk dan lebihan trafik dihadkan.

Pemutus litar ialah mekanisme untuk menangani kerosakan Ia berlaku selepas trafik masuk. Jika sistem gagal atau tidak normal, fius akan secara automatik memotong permintaan untuk mengelakkan kerosakan daripada terus berkembang dan menyebabkan runtuhan perkhidmatan.

Apakah perbezaan antara pengehadan semasa dan keratan puncak?

Pencukuran puncak ialah proses melicinkan lalu lintas, yang mengelakkan bebanan segera sistem dengan meningkatkan kadar pemprosesan permintaan secara perlahan.

Peak cutting mungkin takungan, yang menyimpan aliran dan mengalir perlahan-lahan Pengehad aliran mungkin pintu, yang menolak aliran berlebihan.

Proses umum pengehadan arus

Jadi bagaimana untuk melaksanakan pengehadan arus tertentu? Ia boleh diringkaskan kepada langkah-langkah berikut:

Proses umum pengehadan semasa

1. Trafik permintaan statistik: Catatkan bilangan atau kadar permintaan, yang boleh dikira melalui kaunter, tingkap gelongsor, dsb.
2. Tentukan sama ada had melebihi: Berdasarkan syarat sekatan yang ditetapkan, tentukan sama ada trafik permintaan semasa melebihi had.
3. Laksanakan strategi pengehadan semasa: Jika trafik permintaan melebihi had, laksanakan strategi pengehadan semasa, seperti menolak permintaan, menangguhkan pemprosesan, mengembalikan maklumat ralat, dsb.
4. Kemas kini maklumat statistik: Kemas kini maklumat statistik berdasarkan hasil pemprosesan permintaan, seperti meningkatkan nilai kaunter, mengemas kini data tetingkap gelongsor, dsb.
5. Ulangi langkah di atas: Teruskan mengira trafik permintaan, tentukan sama ada had melebihi, laksanakan dasar pengehadan semasa dan kemas kini maklumat statistik

Perlu diambil perhatian bahawa pelaksanaan algoritma pengehadan semasa tertentu mungkin berbeza mengikut berbeza Laraskan dan optimumkan mengikut senario dan keperluan, seperti menggunakan algoritma baldi token, algoritma baldi bocor, dsb.

Penghadan arus mesin tunggal dan pengehadan arus teragih

Kami mendapati bahawa dalam proses umum pengehadan semasa, adalah perlu untuk mengira volum permintaan dan mengemas kini statistik, jadi statistik dan kemas kini volum permintaan mesti dikekalkan dalam simpanan.

Jika ia hanya persekitaran yang berdiri sendiri, ia adalah mudah untuk mengendalikan dan menyimpannya secara langsung secara tempatan.

Mesin tunggal vs kluster

Tetapi secara umum, perkhidmatan kami digunakan dalam kelompok Bagaimana untuk mencapai pengehadan arus keseluruhan di antara berbilang mesin?

Pada masa ini, kami boleh meletakkan maklumat statistik kami ke dalam storan K-V yang diedarkan seperti Tair atau Redis.

Empat algoritma pengehad semasa dan pelaksanaan diedarkan

Seterusnya, kami mula melaksanakan beberapa algoritma pengehad semasa biasa Di sini kami menggunakan Redis sebagai storan teragih Tidak perlu dikatakan, Redis ialah DB cache yang diedarkan paling popular. Redission hanya digunakan untuk kunci yang diedarkan, yang agak "tidak mahir". Malah, ia juga sangat mudah digunakan sebagai pelanggan Redis. .

• Add Dependency

RREEEE

• Se Mode Singleton Untuk mendapatkan redissonClient. prinsip
Algoritma tetingkap tetap juga dipanggil algoritma pembilang dalam banyak bahan rujukan Sudah tentu, saya secara peribadi memahami bahawa algoritma pembilang adalah kes khas algoritma tetingkap tetap, kami tidak begitu risau .

Algoritma tetingkap tetap ialah algoritma pengehadan semasa yang agak mudah Ia membahagikan masa kepada tetingkap masa tetap dan menetapkan had pada bilangan permintaan yang dibenarkan dalam setiap tetingkap. Jika bilangan permintaan melebihi had atas dalam tetingkap masa, had semasa akan dicetuskan.

Sisipkan penerangan gambar di sini

Pelaksanaan algoritma

Pelaksanaan tetingkap tetap berdasarkan Redisson agak mudah. Dalam setiap tempoh tetingkap, kami boleh mengira bilangan permintaan melalui operasi

. Setelah tempoh tetingkap tamat, kami boleh memanfaatkan ciri tamat tempoh utama Redis untuk menetapkan semula kiraan secara automatik.

Mari kita lihat pelaksanaan kod:

        <dependency>
            <groupId>org.redisson</groupId>
            <artifactId>redisson</artifactId>
            <version>3.16.2</version>
        </dependency>

incrementAndGetKunci teragih tambahan digunakan di sini untuk menyelesaikan masalah permulaan tetingkap dalam situasi serentak.

• Jom uji lagi

public class RedissonConfig {

    private static final String REDIS_ADDRESS = "redis://127.0.0.1:6379";

    private static volatile  RedissonClient redissonClient;

   public static RedissonClient getInstance(){
        if (redissonClient==null){
            synchronized (RedissonConfig.class){
                if (redissonClient==null){
                    Config config = new Config();
                    config.useSingleServer().setAddress(REDIS_ADDRESS);
                    redissonClient = Redisson.create(config);
                    return redissonClient;
                }
            }
        }
        return redissonClient;
    }
}

Sudah tentu, anda juga boleh menulis antara muka dan menggunakan alat ujian tekanan seperti Jmeter untuk menguji.

Kelebihan algoritma tetingkap tetap ialah ia mudah dilaksanakan dan mengambil sedikit ruang, tetapi ia mempunyai masalah kritikal Memandangkan penukaran tetingkap selesai serta-merta, pemprosesan permintaan tidak lancar, dan turun naik yang ganas dalam trafik mungkin berlaku. pada saat penukaran tetingkap.
• Sebagai contoh, dalam contoh ini, jika sebilangan besar permintaan tiba-tiba masuk pada 00:02, tetapi kami menetapkan semula kiraan pada masa ini, maka kami tidak boleh mengehadkan trafik mengejut.
  .

  Prinsip algoritma

  Prinsip algoritma pengehadan arus tetingkap gelongsor adalah untuk membahagikan tetingkap masa yang besar kepada beberapa tetingkap masa kecil, dan setiap tetingkap kecil mempunyai kiraan bebas.

  Apabila permintaan masuk, tentukan sama ada bilangan permintaan melebihi had keseluruhan tetingkap. Tetingkap bergerak ke hadapan setiap kaliGelongsorTetingkap unit kecil. Sebagai contoh, tetingkap gelongsor di bawah membahagikan tetingkap masa besar 1 minit kepada 5 tetingkap kecil, dan masa setiap tetingkap kecil ialah 12 saat.

  Setiap sel mempunyai pembilang bebasnya sendiri, yang akan bergerak ke hadapan satu sel setiap 12 saat.

  Jika permintaan datang pada 00:01, kiraan tetingkap pada masa ini ialah 3+12+9+15=39, yang juga boleh memainkan peranan dalam pengehadan semasa.

  

  Rajah skematik tetingkap gelongsor🜎 mengapa algoritma tetingkap gelongsor boleh menyelesaikan masalah Kritikal, lebih banyak grid gelongsor yang ada, lebih banyak gelongsor keseluruhan akan menjadi Lancar</ code>, kesan pengehadan semasa akan menjadi lebih tepat. <p data-tool="mdnice编辑器" style="padding-top: 8px;padding-bottom: 8px;line-height: 26px;"><code style="padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;background-color: rgba(27, 31, 35, 0.05);font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(255, 100, 65);">滑动一个小的单元窗口。

  例如下面这个滑动窗口，将大时间窗口1min分成了5个小窗口，每个小窗口的时间是12s。

  每个单元格有自己独立的计数器，每过12s就会向前移动一格。

  假如有请求在00:01的时候过来，这时候窗口的计数就是3+12+9+15=39，也能起到限流的作用。

  

  滑动窗口算法示意图

  这就是为什么滑动窗口能解决临界问题，滑的格子越多，那么整体的滑动就会越平滑Pelaksanaan algoritma

  Jadi bagaimana kita melaksanakan algoritma pengehadan semasa tetingkap gelongsor di sini? Ia sangat mudah, kita boleh terus menggunakan struktur set pesanan (zset) Redis.

  Kami menggunakan cap masa sebagai markah dan ahli Apabila permintaan datang, cap masa semasa ditambah pada set yang dipesan. Kemudian untuk permintaan di luar tetingkap, kita boleh mengira cap waktu permulaan berdasarkan saiz tetingkap dan memadamkan permintaan di luar tetingkap. Dengan cara ini, saiz set yang dipesan ialah bilangan permintaan dalam tetingkap kami.

  

  zset实现滑动窗口

  • 代码实现

  public class SlidingWindowRateLimiter {
      public static final String KEY = "slidingWindowRateLimiter:";
  
      /**
       * 请求次数限制
       */
      private Long limit;
      /**
       * 窗口大小（单位：S）
       */
      private Long windowSize;
  
      public SlidingWindowRateLimiter(Long limit, Long windowSize) {
          this.limit = limit;
          this.windowSize = windowSize;
      }
  
  
      public boolean triggerLimit(String path) {
          RedissonClient redissonClient = RedissonConfig.getInstance();
          //窗口计数
          RScoredSortedSet<Long> counter = redissonClient.getScoredSortedSet(KEY + path);
          //使用分布式锁，避免并发设置初始值的时候，导致窗口计数被覆盖
          RLock rLock = redissonClient.getLock(KEY + "LOCK:" + path);
          try {
              rLock.lock(200, TimeUnit.MILLISECONDS);
              // 当前时间戳
              long currentTimestamp = System.currentTimeMillis();
              // 窗口起始时间戳
              long windowStartTimestamp = currentTimestamp - windowSize * 1000;
              // 移除窗口外的时间戳，左闭右开
              counter.removeRangeByScore(0, true, windowStartTimestamp, false);
              // 将当前时间戳作为score,也作为member，
              // TODO:高并发情况下可能没法保证唯一，可以加一个唯一标识
              counter.add(currentTimestamp, currentTimestamp);
              //使用zset的元素个数，作为请求计数
              long count = counter.size();
              // 判断时间戳数量是否超过限流阈值
              if (count > limit) {
                  System.out.println("[triggerLimit] path:" + path + " count:" + count + " over limit:" + limit);
                  return true;
              }
              return false;
          } finally {
              rLock.unlock();
          }
      }
  
  }

  这里还有一个小的可以完善的点，zset在member相同的情况下，是会覆盖的，也就是说高并发情况下，时间戳可能会重复，那么就有可能统计的请求偏少，这里可以用时间戳+随机数来缓解，也可以生成唯一序列来解决，比如UUID、雪花算法等等。

  • 还是来测试一下

  class SlidingWindowRateLimiterTest {
      ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(30, 50, 10, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>(10));
  
      @Test
      @DisplayName("滑动窗口限流")
      void triggerLimit() throws InterruptedException {
          SlidingWindowRateLimiter slidingWindowRateLimiter = new SlidingWindowRateLimiter(10L, 1L);
          //模拟在不同时间片内的请求
          for (int i = 0; i < 8; i++) {
              CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(20);
              for (int j = 0; j < 20; j++) {
                  threadPoolExecutor.execute(() -> {
                      boolean isLimit = slidingWindowRateLimiter.triggerLimit("/test");
                      System.out.println(isLimit);
                      countDownLatch.countDown();
                  });
              }
              countDownLatch.await();
              //休眠10s
              TimeUnit.SECONDS.sleep(10L);
          }
      }
  }

  用Redis实现了滑动窗口限流，解决了固定窗口限流的边界问题，当然这里也带来了新的问题，因为我们存储了窗口期的所有请求，所以高并发的情况下，可能会比较占内存。

  漏桶算法

  我们可以看到，计数器类的限流，体现的是一个“戛然而止”，超过限制，立马决绝，但是有时候，我们可能只是希望请求平滑一些，追求的是“波澜不惊”，这时候就可以考虑使用其它的限流算法。

  算法原理

  漏桶算法（Leaky Bucket），名副其实，就是请求就像水一样以任意速度注入漏桶，而桶会按照固定的速率将水漏掉。

  

  漏桶算法

  当进水速率大于出水速率的时候，漏桶会变满，此时新进入的请求将会被丢弃。

  漏桶算法的两大作用是网络流量整形（Traffic Shaping）和速度限制（Rate Limiting）。

  算法实现

  我们接着看看具体应该怎么实现。

  在滑动窗口限流算法里我们用到了RScoredSortedSet，非常好用对不对，这里也可以用这个结构，直接使用ZREMRANGEBYSCORE命令来删除旧的请求。

  进水就不用多说了，请求进来，判断桶有没有满，满了就拒绝，没满就往桶里丢请求。

  那么出水怎么办呢？得保证稳定速率出水，可以用一个定时任务，来定时去删除旧的请求。

  • 代码实现

  public class LeakyBucketRateLimiter {
      private RedissonClient redissonClient = RedissonConfig.getInstance();
      private static final String KEY_PREFIX = "LeakyBucket:";
  
      /**
       * 桶的大小
       */
      private Long bucketSize;
      /**
       * 漏水速率，单位:个/秒
       */
      private Long leakRate;
  
  
      public LeakyBucketRateLimiter(Long bucketSize, Long leakRate) {
          this.bucketSize = bucketSize;
          this.leakRate = leakRate;
          //这里启动一个定时任务，每s执行一次
          ScheduledExecutorService executorService = Executors.newScheduledThreadPool(1);
          executorService.scheduleAtFixedRate(this::leakWater, 0, 1, TimeUnit.SECONDS);
      }
  
      /**
       * 漏水
       */
      public void leakWater() {
          RSet<String> pathSet=redissonClient.getSet(KEY_PREFIX+":pathSet");
          //遍历所有path,删除旧请求
          for(String path:pathSet){
              String redisKey = KEY_PREFIX + path;
              RScoredSortedSet<Long> bucket = redissonClient.getScoredSortedSet(KEY_PREFIX + path);
              // 获取当前时间
              long now = System.currentTimeMillis();
              // 删除旧的请求
              bucket.removeRangeByScore(0, true,now - 1000 * leakRate,true);
          }
      }
  
      /**
       * 限流
       */
      public boolean triggerLimit(String path) {
          //加锁，防止并发初始化问题
          RLock rLock = redissonClient.getLock(KEY_PREFIX + "LOCK:" + path);
          try {
              rLock.lock(100,TimeUnit.MILLISECONDS);
              String redisKey = KEY_PREFIX + path;
              RScoredSortedSet<Long> bucket = redissonClient.getScoredSortedSet(redisKey);
              //这里用一个set，来存储所有path
              RSet<String> pathSet=redissonClient.getSet(KEY_PREFIX+":pathSet");
              pathSet.add(path);
              // 获取当前时间
              long now = System.currentTimeMillis();
              // 检查桶是否已满
              if (bucket.size() < bucketSize) {
                  // 桶未满，添加一个元素到桶中
                  bucket.add(now,now);
                  return false;
              }
              // 桶已满，触发限流
              System.out.println("[triggerLimit] path:"+path+" bucket size:"+bucket.size());
              return true;
          }finally {
              rLock.unlock();
          }
      }
      
  }

  在代码实现里，我们用了RSet来存储path，这样一来，一个定时任务，就可以搞定所有path对应的桶的出水，而不用每个桶都创建一个一个定时任务。

  这里我直接用ScheduledExecutorService启动了一个定时任务，1s跑一次，当然集群环境下，每台机器都跑一个定时任务，对性能是极大的浪费，而且不好管理，我们可以用分布式定时任务，比如xxl-job去执行leakWater。

  • 最后还是大家熟悉的测试

  class LeakyBucketRateLimiterTest {
  
      ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(30, 50, 10, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingDeque<>(10));
  
      @Test
      @DisplayName("漏桶算法")
      void triggerLimit() throws InterruptedException {
          LeakyBucketRateLimiter leakyBucketRateLimiter = new LeakyBucketRateLimiter(10L, 1L);
          for (int i = 0; i < 8; i++) {
              CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(20);
              for (int j = 0; j < 20; j++) {
                  threadPoolExecutor.execute(() -> {
                      boolean isLimit = leakyBucketRateLimiter.triggerLimit("/test");
                      System.out.println(isLimit);
                      countDownLatch.countDown();
                  });
              }
              countDownLatch.await();
              //休眠10s
              TimeUnit.SECONDS.sleep(10L);
          }
      }
  }

  漏桶算法能够有效防止网络拥塞，实现也比较简单。

  但是，因为漏桶的出水速率是固定的，假如突然来了大量的请求，那么只能丢弃超量的请求，即使下游能处理更大的流量，没法充分利用系统资源。

  令牌桶算法

  令牌桶算法来了！

  算法原理

  令牌桶算法是对漏桶算法的一种改进。

  它的主要思想是：系统以一种固定的速率向桶中添加令牌，每个请求在发送前都需要从桶中取出一个令牌，只有取到令牌的请求才被通过。因此，令牌桶算法允许请求以任意速率发送，只要桶中有足够的令牌。

  

  令牌桶算法

  算法实现

  我们继续看怎么实现，首先是要发放令牌，要固定速率，那我们又得开个线程，定时往桶里投令牌，然后……

  ——然后Redission提供了令牌桶算法的实现，舒不舒服？

  

  拿来吧你

  拿来就用！

  • 代码实现

  public class TokenBucketRateLimiter {
  
      public static final String KEY = "TokenBucketRateLimiter:";
  
      /**
       * 阈值
       */
      private Long limit;
      /**
       * 添加令牌的速率，单位：个/秒
       */
      private Long tokenRate;
  
      public TokenBucketRateLimiter(Long limit, Long tokenRate) {
          this.limit = limit;
          this.tokenRate = tokenRate;
      }
  
      /**
       * 限流算法
       */
      public boolean triggerLimit(String path){
          RedissonClient redissonClient=RedissonConfig.getInstance();
          RRateLimiter rateLimiter = redissonClient.getRateLimiter(KEY+path);
          // 初始化，设置速率模式，速率，间隔，间隔单位
          rateLimiter.trySetRate(RateType.OVERALL, limit, tokenRate, RateIntervalUnit.SECONDS);
          // 获取令牌
          return rateLimiter.tryAcquire();
      }
  }

  Redisson实现的，还是比较稳的，这里就不测试了。

  关于Redission是怎么实现这个限速器的，大家可以看一下参考[3]，还是Redisson家的老传统——Lua脚本，设计相当巧妙。

  总结

  在这篇文章里，我们对四（三）种限流算法进行了分布式实现，采用了非常好用的Redission客户端，当然我们也有不完善的地方：

  • 并发处理采用了分布式锁，高并发情况下，对性能有一定损耗，逻辑最好还是直接采用Lua脚本实现，来提高性能
  • 可以提供更加优雅的调用方式，比如利用aop实现注解式调用，代码设计也可以更加优雅，继承体系可以完善一下
  • 没有实现限流的拒绝策略，比如抛异常、缓存、丢进MQ打散……限流是一种方法，最终的目的还是尽可能保证系统平稳

  如果后面有机会，希望可以继续完善这个简单的Demo，达到工程级的应用。

  除此之外，市面上也有很多好用的开源限流工具：

  • Guava RateLimiter ，基于令牌桶算法限流，当然是单机的；
  • Sentinel ，基于滑动窗口限流，支持单机，也支持集群
  • 网关限流，很多网关自带限流方法，比如Spring Cloud Gateway、Nginx

Atas ialah kandungan terperinci Empat algoritma pengehad semasa dan pelaksanaan kod yang diedarkan. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!