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91 | 项目实战一：设计实现一个支持各种算法的限流框架（设计）

91 | 项目实战一：设计实现一个支持各种算法的限流框架（设计）-极客时间

91 | 项目实战一：设计实现一个支持各种算法的限流框架（设计）

2020-06-01 文章 来自北京
《设计模式之美》
课程介绍

讲述：冯永吉

时长12:14大小11.20M

上一节课，我们介绍了限流框架产生的项目背景，并且对需求做了分析，这其中包括功能性需求和非功能性需求，算是在正式开始设计之前的一个铺垫。
前面提到，我们把项目实战分为分析、设计、实现三部分来讲解。其中，分析环节跟之前讲过的面向对象分析很相似，都是做需求的梳理。但是，项目实战中的设计和实现，跟面向对象设计和实现就不是一回事儿了。这里的“设计”指的是系统设计，主要是划分模块，对模块进行设计。这里的“实现”实际上等于面向对象设计加实现。因为我们前面讲到，面向对象设计与实现是聚焦在代码层面的，主要产出的是类的设计和实现。
今天，我们分限流规则、限流算法、限流模式、集成使用这 4 个模块，来讲解限流框架的设计思路。上节课我们提到，限流框架的基本功能非常简单，复杂在于它的非功能性需求，所以，我们今天讲解的重点是，看如何通过合理的设计，实现一个满足易用、易扩展、灵活、低延时、高容错等非功能性需求的限流框架。
话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！

限流规则

框架需要定义限流规则的语法格式，包括调用方、接口、限流阈值、时间粒度这几个元素。框架用户按照这个语法格式来配置限流规则。我举了一个例子来说明一下，如下所示。其中，unit 表示限流时间粒度，默认情况下是 1 秒。limit 表示在 unit 时间粒度内最大允许的请求次数。拿第一条规则来举例，它表示的意思就是：调用方 app-1 对接口 /v1/user 每分钟的最大请求次数不能超过 100 次。
configs:
- appId: app-1
limits:
- api: /v1/user
limit: 100
unit：60
- api: /v1/order
limit: 50
- appId: app-2
limits:
- api: /v1/user
limit: 50
- api: /v1/order
limit: 50
对于限流时间粒度的选择，我们既可以选择限制 1 秒钟内不超过 1000 次，也可以选择限制 10 毫秒内不超过 10 次，还可以选择限制 1 分钟内不超过 6 万次。虽然看起来这几种限流规则是等价的，但过大的时间粒度会达不到限流的效果。比如，有可能 6 万次请求集中在 1 秒中到达，限制 1 分钟不超过 6 万次，就起不到保护的作用；相反，因为接口访问在细时间粒度上随机性很大，并不会很均匀。过小的时间粒度，会误杀很多本不应该限流的请求。所以，尽管越细的时间粒度限流整形效果越好，流量曲线越平滑，但也并不是时间粒度越小越合适。
我们知道，Spring 框架支持各种格式的配置文件，比如 XML、YAML、Porperties 等。除此之外，基于约定优于配置原则，Spring 框架用户只需要将配置文件按照约定来命名，并且放置到约定的路径下，Spring 框架就能按照约定自动查找和加载配置文件。
大部分 Java 程序员已经习惯了 Spring 的配置方式，基于我们前面讲的最小惊奇原则，在限流框架中，我们也延续 Spring 的配置方式，支持 XML、YAML、Properties 等几种配置文件格式，同时，约定默认的配置文件名为 ratelimiter-rule.yaml，默认放置在 classpath 路径中。
除此之外，为了提高框架的兼容性、易用性，除了刚刚讲的本地文件的配置方式之外，我们还希望兼容从其他数据源获取配置的方式，比如 Zookeeper 或者自研的配置中心。

限流算法

常见的限流算法有：固定时间窗口限流算法、滑动时间窗口限流算法、令牌桶限流算法、漏桶限流算法。其中，固定时间窗口限流算法最简单。我们只需要选定一个起始时间起点，之后每来一个接口请求，我们都给计数器（记录当前时间窗口内的访问次数）加一，如果在当前时间窗口内，根据限流规则（比如每秒钟最大允许 100 次接口请求），累加访问次数超过限流值（比如 100 次），就触发限流熔断，拒绝接口请求。当进入下一个时间窗口之后，计数器清零重新计数。
不过，固定时间窗口的限流算法的缺点也很明显。这种算法的限流策略过于粗略，无法应对两个时间窗口临界时间内的突发流量。我们来举一个例子。假设我们限流规则为每秒钟不超过 100 次接口请求。第一个 1 秒时间窗口内，100 次接口请求都集中在最后的 10 毫秒内，在第二个 1 秒时间窗口内，100 次接口请求都集中在最开始的 10 毫秒内。虽然两个时间窗口内流量都符合限流要求 (小于等于 100 个接口请求)，但在两个时间窗口临界的 20 毫秒内集中有 200 次接口请求，固定时间窗口限流算法没法对这种情况进行限流，集中在这 20 毫秒内的 200 次请求有可能会压垮系统。
为了让流量更加平滑，于是就有了更加高级的滑动时间窗口限流算法、令牌桶限流算法和漏桶限流算法。因为我们主要讲设计而非技术，所以其他几种限流算法，留给你自己去研究，你也可以参看我之前写的关于限流框架的技术文档。
尽管固定时间窗口限流算法没法做到让流量很平滑，但大部分情况下，它已经够用了。默认情况下，框架使用固定时间窗口限流算法做限流。不过，考虑到框架的扩展性，我们需要预先做好设计，预留好扩展点，方便今后扩展其他限流算法。除此之外，为了提高框架的易用性、灵活性，我们最好将其他几种常用的限流算法，也在框架中实现出来，供框架用户根据自己业务场景自由选择。

限流模式

刚刚讲的是限流算法，我们再讲讲限流模式。我们把限流模式分为两种：单机限流和分布式限流。所谓单机限流，就是针对单个实例的访问频率进行限制。注意这里的单机并不是真的一台物理机器，而是一个服务实例，因为有可能一台物理机器部署多个实例。所谓的分布式限流，就是针对某个服务的多个实例的总的访问频率进行限制。我举个例子来解释一下。
假设我们开发了一个用户相关的微服务，为了提高服务能力，我们部署了 5 个实例。我们限制某个调用方，对单个实例的某个接口的访问频率，不能超过 100 次 / 秒。这就是单机限流。我们限制某个调用方，对 5 个实例的某个接口的总访问频率，不能超过 500 次 / 秒。这就是所谓的分布式限流。
从实现的角度来分析，单机限流和分布式限流的主要区别在接口访问计数器的实现。单机限流只需要在单个实例中维护自己的接口请求计数器。而分布式限流需要集中管理计数器（比如使用 Redis 存储接口访问计数），这样才能做到多个实例对同一个计数器累加计数，以便实现对多个实例总访问频率的限制。
前面我们讲到框架要高容错，不能因为框架的异常，影响到集成框架的应用的可用性和稳定性。除此之外，我们还讲到框架要低延迟。限流逻辑的执行不能占用太长时间，不能或者很少影响接口请求本身的响应时间。因为分布式限流基于外部存储 Redis，网络通信成本较高，实际上，高容错、低延迟设计的主要场景就是基于 Redis 实现的分布式限流。
对于 Redis 的各种异常情况，我们处理起来并不难，捕获并封装为统一的异常，向上抛出或者吞掉就可以了。比较难处理的是 Redis 访问超时。Redis 访问超时会严重影响接口的响应时间，甚至导致接口请求超时。所以，在访问 Redis 时，我们需要设置合理的超时时间。一旦超时，我们就判定为限流失效，继续执行接口请求。Redis 访问超时时间的设置既不能太大也不能太小，太大可能会影响到接口的响应时间，太小可能会导致太多的限流失效。我们可以通过压测或者线上监控，获取到 Redis 访问时间分布情况，再结合接口可以容忍的限流延迟时间，权衡设置一个较合理的 Redis 超时时间。

集成使用

前面剖析 Spring 框架的时候，我们讲到低侵入松耦合设计思想。限流框架也应该满足这个设计思想。因为框架是需要集成到应用中使用的，我们希望框架尽可能低侵入，与业务代码松耦合，替换、删除起来也更容易些。
除此之外，在剖析 MyBatis 框架的时候，我们讲到 MyBatis 框架是为了简化数据库编程。实际上，为了进一步简化开发，MyBatis 还提供了 MyBatis-Spring 类库，方便在使用了 Spring 框架的项目中集成 MyBatis 框架。我们也可以借鉴 MyBatis-Spring，开发一个 Ratelimiter-Spring 类库，能够方便使用了 Spring 的项目集成限流框架，将易用性做到极致。

重点回顾

好了，今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下，你需要重点掌握的内容。
我们将这个限流框架划分为限流规则、限流算法、限流模式、集成使用者这四个模块来分析讲解。除了功能方面的设计之外，我们重点讲了如何满足易用、灵活、易扩展、低延迟、高容错这些非功能性需求。
针对限流规则，大部分 Java 程序员已经习惯了 Spring 的配置方式。基于最小惊奇原则，在限流框架中，我们也延续 Spring 的配置方式，支持 XML、YAML、Properties 等几种配置文件格式。同时，借鉴 Spring 的约定优于配置设计原则，限流框架用户只需要将配置文件按照约定来命名，并且放置到约定的路径下，框架就能按照约定自动查找和加载配置文件。除此之外，为了提高框架的兼容性、易用性，除了本地文件的配置方式之外，我们还希望兼容从其他数据源获取配置的方式，比如 Zookeeper 或者自研的配置中心。
针对限流算法，尽管固定时间窗口限流算法没法做到让流量很平滑，但大部分情况下，它已经够用了。默认情况下，框架使用固定时间窗口限流算法做限流。不过，考虑到框架的扩展性，我们需要预先做好设计，预留好扩展点，方便今后扩展其他限流算法。除此之外，为了提高框架的易用性、灵活性，我们将其他几种常用的限流算法也在框架中实现出来，供框架用户根据自己的业务场景自由选择。
针对限流模式，因为分布式限流基于外部存储 Redis，网络通信成本较高，框架的高容错和低延迟的设计，主要是针对基于 Redis 的分布式限流模式。不能因为 Redis 的异常，影响到集成框架的应用的可用性和稳定性。不能因为 Redis 访问超时，导致接口访问超时。
针对集成使用，我们希望框架低侵入，跟业务代码松耦合。应用集成框架的代码，尽可能集中、不分散，这样删除、替换起来就容易很多。除此之外，为了将框架的易用性做到极致，我们借鉴 MyBatis-Spring 类库，设计实现一个 RateLimiter-Spring 类库，方便集成了 Spring 框架的应用集成限流框架。

课堂讨论

今天，我们提到配置限流规则的时候，时间粒度不能太大，也不能太小，限流值也要设置得合理，太大起不到限流的作用，太小容易误杀。那请你思考一下，如何选择合理的时间粒度和限流值？如何验证设置的合理性？
欢迎留言和我分享你的想法。如果有收获，也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。
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提建议

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精选留言(16)

  • 小晏子
    2020-06-01
    在不同的业务场景下，对于每个接口，时间粒度和限流值的选择都是不同的，比如在平时和大促（如618，11.11）时，因为服务器数量不同，所以选择也不同，比如在618时，流量可能都集中在几秒内，TPS 会非常大，几万甚至几十万，需要选择相对小的限流时间粒度，相反，如果接口 TPS 很小，则使用大一点的时间粒度，比如限制 1 分钟内接口的调用次数不超过 1000 。 对于限流值的选择，需要结合性能压测数据、业务预期流量、线上监控数据来综合设置，最大允许访问频率不大于压测 TPS，不小于业务预期流量，并且参考线上监控数据。 如何验证设置的合理性？可以通过导流的方式将流量集中到一小组机器上做真实场景的测试，并记录下每个请求的对应接口，请求时间点，限流结果，进行分析。另外我们还需要时刻监控限流的工作情况，实时了解限流功能是否运行正常。一旦发生限流异常，能够在不重启服务的情况下，做到热更新限流配置。
    展开
    98
  • Jie
    2020-06-01
    以前在耗子叔专栏看到过动态流控的文章（左耳听风49节），可以借鉴了TCP使用RTT来探测网络延时和性能，从而设定相应滑动窗口，根据调用方一段时间内响应时间的P90或P99值，来作为限流的参考。这个一样可以用在限流框架上的。
    共 2 条评论
    32
  • 马以
    2020-06-01
    限流框架文档哪里可以看到？

    作者回复: https://github.com/wangzheng0822

    共 5 条评论
    13
  • Jxin
    2020-06-01
    1.限流值的大小一般在预估流量~压测流量满足响应时长下的最大吞吐之间。 2.时间力度的选择要看场景。首先明确一点，时间力度越小，流量峰值则越小。服务群能否正常提供服务，看的是流量峰值是否小于压测流量最大值（拐点）。那么在整点秒杀这种场景，时间力度就要尽可能小，结合人机检验和先抢购买权等策略降低并发度后，时间窗口应该也能使用。但如果是阿里京东这种大型电商公司的双11，时间窗口就不合适了，除非你的集群规模大于当前时间力度的最大峰值（并行度很可能真达到峰值），不然限流策略都很难保护服务群。而这样的规模服务，在serverless普及前，成本是接受不了的（请求上来时服务瞬间扩容，过去后又瞬间缩容）。这时采用类似均速发牌的算法就合适些。而在平时业务稳定期，时间力度就可以长一些，因为这个时候流量比较平缓，峰值一般都不会很高，只需要做粗力度的流量控制即可。 3.验证是否合理：模拟或则镜像流量压测不能压垮服务，且尽量去减少计算资源。满足稳定服务的前提下，尽量减少计算成本。用合适的成本，提供稳定的服务才叫合理。
    展开
    共 3 条评论
    12
  • 迷羊
    2020-06-01
    可以先测试自己的应用调用接口的次数，合理的使用。怎么验证合理性，主要还是看具体的应用调用次数，可以测出来的。
    3
  • test
    2020-06-01
    思考题：需要结合线上流量的情况，包括均值和峰值
    2
  • cricket1981
    2020-06-25
    背压等于限流吗？如果是的话，要如何实现基于HTTP的restful api背压？

    作者回复: 限流<你说的背压。如何做压力测试，你可以看下我github上的文章：https://github.com/wangzheng0822

    1
  • Heaven
    2020-06-01
    对于限流的框架使用,高流量不可怕,就怕暴涨击穿的问题,对于可以预测的平稳访问,设置的粒度大点无可厚非,对于可能出现的一些短时高流量服务,可以设置的粒度低些,当然,在实际开发中,我们还有各种缓存服务器,CDN帮助我们开发,避免流量过大问题
    1
  • Jackey
    2020-06-01
    实践一下吧，可以拿正常的线上流量回放保证不被限流。再用压测流量压一下，保证服务不down就ok
    1
  • JD_Zty
    2021-02-07
    方案中是把时间做为限定条件，校验调用次数。能否将第一次调用和最后一次调用作为限定条件，校验时间呢？
  • o0oi1i
    2020-11-05
    打卡91
  • 程序员小跃
    2020-10-19
    项目里现在就是从单一的程序进行拆分到多个，有公用的模块，有独立的模块，但是还不是很熟练，还在摸索中前进。看到评论区都说很有收获，这实战，我得看好几遍利用起来
    1
  • Magic
    2020-08-11
    1 时间粒度：观察接口线上流量监控，如果存在流量尖刺（一秒内流量瞬间飙升)，且尖刺会影响系统稳定性，那么时间粒度应该设置为秒。如果流量较均衡，且系统对请求量具有一定的宽容度，则可以适当调大限流粒度。 2 限流值：模拟真实情况进行压测，当请求量到达某一个点时，系统失败率快速上升，则应该将该点设置为限流值，具体还可以参考线上监控
    1
  • cricket1981
    2020-06-25
    这种限流是不是应该结合物理资源监控动态调整比较好？

    作者回复: 太复杂了~效果并不一定好~

  • javaadu
    2020-06-21
    一般粒度都是选择秒级限流，限流值设置的事峰值流量的6倍左右，另外我们还设计了基于限流报错都自愈扩容系统，在大促洪峰到达时可以及时扩容增加容量
  • kylexy_0817
    2020-06-10
    好的框架的配置文件schema和说明也重要^_^