限流算法实现

并发数限流

1. 计数器并发数限流

int maxRequest=100;
AtomicInteger nowRequest=new AtomicInteger(0);
 
public void request(){
    for(;;){
        int currentReq=nowRequest.get();
        if(currentReq>=maxRequest){
            return;
        }
        if(nowRequest.compareAndSet(currentReq,currentReq+1)){
            break;
        }
    }
    //调用接口
    try{
         invokeXXX();    
    }finally{
        nowRequest.decrementAndGet();
    }
}

2. 信号量（Semaphore）

其实最简单的方法就是用信号量来实现：

int maxRequest=100;
Semaphore reqSemaphore = new Semaphore(maxRequest);
 
public void request(){
    if(!reqSemaphore.tryAcquire()){
        return ;
    }
 
    //调用接口
    try{
         invokeXXX();    
    }finally{
       reqSemaphore.release();
    }
}

QPS限流

QPS限流限制的是一段时间内（一般指1秒）的请求个数。

1. 计数器法

计数器法相对简单，如果我们限流1秒内最大100个请求，可以设置一个计数器counter，每当一个请求过来的时候，counter就加1，

如果该请求与第一个请求的时间间隔在1秒之内，counter>100，那么说明请求数过多，counter<100，请求正常。
如果该请求与第一个请求的时间间隔大于1秒，那么就重置 counter

int maxQps=100;
int count;
long timeStamp=System.currentTimeMillis();//一个时间区间内的第一个请求
long interval=1000;

public synchronized boolean grant(){
    long now=System.currentTimeMillis();
    if(now

以上是示意代码，最大的问题是临界问题

计数器法.png

从上图中我们可以看到，假设有一个恶意用户，他在0:59时，瞬间发送了100个请求，并且1:00又瞬间发送了100个请求，那么其实这个用户在 1秒里面，瞬间发送了200个请求。我们刚才规定的是1分钟最多100个请求，也就是每秒钟最多1.7个请求，用户通过在时间窗口的重置节点处突发请求， 可以瞬间超过我们的速率限制。用户有可能通过算法的这个漏洞，瞬间压垮我们的应用。

2.滑动窗口

我们用一个长度为10的数组表示1秒内的QPS请求，数组每个元素对应了相应100ms内的请求数。用一个sum变量代码当前1s的请求数。同时每隔100ms将淘汰过期的值。

伪代码如下：

int maxQps=100;
AtomicInteger[] count=new AtomicInteger[10];
long timeStamp=System.currentTimeMillis();
long interval=1000;
AtomicInteger sum;
volatile int index;

public void init(){
    for(int i=0;i

3. 漏桶算法

漏桶(Leaky Bucket)算法思路很简单,水(请求)先进入到漏桶里,漏桶以一定的速度出水(接口有响应速率),当水流入速度过大会直接溢出(访问频率超过接口响应速率)，然后就拒绝请求,可以看出漏桶算法能强行限制数据的传输速率。

示意图如下:

漏桶算法.png

我们将算法中的水换成实际应用中的请求，我们可以看到漏桶算法天生就限制了请求的速度。

当使用了漏桶算法，我们可以保证接口会以一个常速速率来处理请求。所以漏桶算法天生不会出现临界问题

long timeStamp=getNowTime();
int capacity;  // 桶的容量
int rate ;     // 水漏出的速度
int water;     // 当前水量
 
bool grant() {
  //先执行漏水，因为rate是固定的，所以可以认为“时间间隔*rate”即为漏出的水量
  long now = getNowTime();
  water = max(0, water- (now - timeStamp)*rate);
  timeStamp = now;
 
  if water < capacity { // 水还未满，加水
    water ++;
    return true;
  } else {
    return false;//水满，拒绝加水
  }

4.令牌桶算法

从某种意义上讲，令牌桶算法是对漏桶算法的一种改进，桶算法能够限制请求调用的速率，而令牌桶算法能够在限制调用的平均速率的同时还允许一定程度的突发调用。令牌桶算法则是一个存放固定容量令牌的桶，按照固定速率往桶里添加令牌。桶中存放的令牌数有最大上限，超出之后就被丢弃或者拒绝。当流量或者网络请求到达时，每个请求都要获取一个令牌，如果能够获取到，则直接处理，并且令牌桶删除一个令牌。如果获取不同，该请求就要被限流，要么直接丢弃，要么在缓冲区等待。

令牌桶算法.png

public class TokenBucketDemo {
public long timeStamp = getNowTime();
public int capacity; // 桶的容量
public int rate; // 令牌放入速度
public int tokens; // 当前令牌数量
public boolean grant() {
    long now = getNowTime();
    // 先添加令牌
    tokens = min(capacity, tokens + (now - timeStamp) * rate);
    timeStamp = now;
    if (tokens < 1) {
    // 若不到1个令牌,则拒绝
    return false;
    } else {
    // 还有令牌，领取令牌
    tokens -= 1;
    return true;
    }
}

引用

• 来谈谈限流-从概念到实现 · Issue #18 · farmerjohngit/myblog · GitHub
• 计数器算法 | 码农戏码