服务限流——限流算法——what、why、how

更新时间:2019-06-06 09:09:34点击次数:129次
为什么限流会出现?
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。缓存的目的是提升系统访问速度和增大系统能处理的容量,可谓是抗高并发流量的银弹;而降级是当服务出问题或者影响到核心流程的性能则需要暂时屏蔽掉,待高峰或者问题解决后再打开;而有些场景并不能用缓存和降级来解决,比如稀缺资源(秒杀、抢购)、写服务(如评论、下单)、频繁的复杂查询(评论的最后几页),因此需有一种手段来限制这些场景的并发/请求量,即限流。

限流的目的?
限流的目的是通过对并发访问/请求进行限速或者一个时间窗口内的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(定向到错误页或告知资源没有了)、排队或等待(比如秒杀、评论、下单)、降级(返回兜底数据或默认数据,如商品详情页库存默认有货)

限流的方式
一般开发高并发系统常见的限流有:限制总并发数(比如数据库连接池、线程池)、限制瞬时并发数(如nginx的limit_conn模块,用来限制瞬时并发连接数)、限制时间窗口内的平均速率(如Guava的RateLimiter、nginx的limit_req模块,限制每秒的平均速率);其他还有如限制远程接口调用速率、限制MQ的消费速率。另外还可以根据网络连接数、网络流量、CPU或内存负载等来限流。

限流算法
常见的限流算法有:令牌桶、漏桶。计数器也可以进行粗暴限流实现。

漏桶(Leaky Bucket)算法
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.

令牌桶算法(Token Bucket)
和 Leaky Bucket 效果一样但方向相反的算法,更加容易理解.随着时间流逝,系统会按恒定1/QPS时间间隔(如果QPS=100,则间隔是10ms)往桶里加入Token(想象和漏洞漏水相反,有个水龙头在不断的加水),如果桶已经满了就不再加了.新请求来临时,会各自拿走一个Token,如果没有Token可拿了就阻塞或者拒绝服务.

令牌桶的另外一个好处是可以方便的改变速度. 一旦需要提高速率,则按需提高放入桶中的令牌的速率. 一般会定时(比如100毫秒)往桶中增加一定数量的令牌, 有些变种算法则实时的计算应该增加的令牌的数量.

算法在限流方式中的应用
应用级限流
对于一个应用系统来说一定会有极限并发/请求数,即总有一个TPS/QPS阀值,如果超了阀值则系统就会不响应用户请求或响应的非常慢,因此我们最好进行过载保护,防止大量请求涌入击垮系统。

如果你使用过Tomcat,其Connector其中一种配置有如下几个参数:
acceptCount:如果Tomcat的线程都忙于响应,新来的连接会进入队列排队,如果超出排队大小,则拒绝连接;
maxConnections:瞬时最大连接数,超出的会排队等待;
maxThreads:Tomcat能启动用来处理请求的最大线程数,如果请求处理量一直远远大于最大线程数则可能会僵死。
详细的配置请参考官方文档。另外如MySQL(如max_connections)、Redis(如tcp-backlog)都会有类似的限制连接数的配置。
池化技术
如果有的资源是稀缺资源(如数据库连接、线程),而且可能有多个系统都会去使用它,那么需要限制应用;可以使用池化技术来限制总资源数:连接池、线程池。比如分配给每个应用的数据库连接是100,那么本应用最多可以使用100个资源,超出了可以等待或者抛异常。
限流某个接口的总并发/请求数:如果接口可能会有突发访问情况,但又担心访问量太大造成崩溃,如抢购业务;这个时候就需要限制这个接口的总并发/请求数总请求数了;因为粒度比较细,可以为每个接口都设置相应的阀值。可以使用Java中的AtomicLong进行限流:


分布式限流

对于分布式限流目前遇到的场景是业务上的限流,而不是流量入口的限流;流量入口限流应该在接入层完成,而接入层笔者一般使用Nginx。
分布式限流最关键的是要将限流服务做成原子化,而解决方案可以使使用redis+lua或者nginx+lua技术进行实现,通过这两种技术可以实现的高并发和高性能。

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