Java并发：分布式应用限流实践

From 鹏磊搜云库技术团队 2019-04-07

搜云库互联网/架构/开发/运维

任何限流都不是漫无目的的，也不是一个开关就可以解决的问题，常用的限流算法有：令牌桶，漏桶。在之前的文章中，也讲到过，但是那是基于单机场景来写。

然而再牛逼的机器，再优化的设计，对于特殊场景我们也是要特殊处理的。就拿秒杀来说，可能会有百万级别的用户进行抢购，而商品数量远远小于用户数量。如果这些请求都进入队列或者查询缓存，对于最终结果没有任何意义，徒增后台华丽的数据。对此，为了减少资源浪费，减轻后端压力，我们还需要对秒杀进行限流，只需保障部分用户服务正常即可。

就秒杀接口来说，当访问频率或者并发请求超过其承受范围的时候，这时候我们就要考虑限流来保证接口的可用性，以防止非预期的请求对系统压力过大而引起的系统瘫痪。通常的策略就是拒绝多余的访问，或者让多余的访问排队等待服务。

分布式限流

单机限流，可以用到 AtomicInteger、 RateLimiter、 Semaphore 这些。但是在分布式中，就不能使用了。常用分布式限流用 Nginx 限流，但是它属于网关层面，不能解决所有问题，例如内部服务，短信接口，你无法保证消费方是否会做好限流控制，所以自己在应用层实现限流还是很有必要的。

本文不涉及 nginx+lua，简单介绍 redis+lua分布式限流的实现。如果是需要在接入层限流的话，应该直接采用nginx自带的连接数限流模块和请求限流模块。

Redis + Lua 限流示例

本次项目使用 SpringBoot2.0.4，使用到 Redis 集群， Lua 限流脚本

引入依赖

<dependencies>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-aop</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.apache.commons</groupId>
<artifactId>commons-lang3</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
</dependency>
</dependencies>

Redis 配置

application.properties

spring.application.name=spring-boot-limit
# Redis数据库索引
spring.redis.database=0
# Redis服务器地址
spring.redis.host=10.4.89.161
# Redis服务器连接端口
spring.redis.port=6379
# Redis服务器连接密码（默认为空）
spring.redis.password=
# 连接池最大连接数（使用负值表示没有限制）
spring.redis.jedis.pool.max-active=8
# 连接池最大阻塞等待时间（使用负值表示没有限制）
spring.redis.jedis.pool.max-wait=-1
# 连接池中的最大空闲连接
spring.redis.jedis.pool.max-idle=8
# 连接池中的最小空闲连接
spring.redis.jedis.pool.min-idle=0
# 连接超时时间（毫秒）
spring.redis.timeout=10000

Lua 脚本

参考：聊聊高并发系统之限流特技http://jinnianshilongnian.iteye.com/blog/2305117

local key = "rate.limit:" .. KEYS[1] --限流KEY
local limit = tonumber(ARGV[1]) --限流大小
local current = tonumber(redis.call('get', key) or "0")
if current + 1 > limit then --如果超出限流大小
return 0
else --请求数+1，并设置2秒过期
redis.call("INCRBY", key,"1")
redis.call("expire", key,"2")
return current + 1
end

1、我们通过KEYS[1] 获取传入的key参数 2、通过ARGV[1]获取传入的limit参数 3、redis.call方法，从缓存中get和key相关的值，如果为nil那么就返回0 4、接着判断缓存中记录的数值是否会大于限制大小，如果超出表示该被限流，返回0 5、如果未超过，那么该key的缓存值+1，并设置过期时间为1秒钟以后，并返回缓存值+1

限流注解

注解的目的，是在需要限流的方法上使用

package com.souyunku.example.annotation;
/**
* 描述: 限流注解
*
* @author yanpenglei
* @create 2018-08-16 15:24
**/
@Target({ElementType.TYPE, ElementType.METHOD})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface RateLimit {
/**
* 限流唯一标示
*
* @return
*/
String key() default "";
/**
* 限流时间
*
* @return
*/
int time();
/**
* 限流次数
*
* @return
*/
int count();
}

公共配置

package com.souyunku.example.config;
@Component
public class Commons {
/**
* 读取限流脚本
*
* @return
*/
@Bean
public DefaultRedisScript<Number> redisluaScript() {
DefaultRedisScript<Number> redisScript = new DefaultRedisScript<>();
redisScript.setScriptSource(new ResourceScriptSource(new ClassPathResource("rateLimit.lua")));
redisScript.setResultType(Number.class);
return redisScript;
}
/**
* RedisTemplate
*
* @return
*/
@Bean
public RedisTemplate<String, Serializable> limitRedisTemplate(LettuceConnectionFactory redisConnectionFactory) {
RedisTemplate<String, Serializable> template = new RedisTemplate<String, Serializable>();
template.setKeySerializer(new StringRedisSerializer());
template.setValueSerializer(new GenericJackson2JsonRedisSerializer());
template.setConnectionFactory(redisConnectionFactory);
return template;
}
}

拦截器

通过拦截器拦截 @RateLimit注解的方法，使用 Redsiexecute 方法执行我们的限流脚本，判断是否超过限流次数

以下下是核心代码

package com.souyunku.example.config;
/**
* 描述:拦截器
*
* @author yanpenglei
* @create 2018-08-16 15:33
**/
@Aspect
@Configuration
public class LimitAspect {
private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(LimitAspect.class);
@Autowired
private RedisTemplate<String, Serializable> limitRedisTemplate;
@Autowired
private DefaultRedisScript<Number> redisluaScript;
@Around("execution(* com.souyunku.example.controller ..*(..) )")
public Object interceptor(ProceedingJoinPoint joinPoint) throws Throwable {
MethodSignature signature = (MethodSignature) joinPoint.getSignature();
Method method = signature.getMethod();
Class<?> targetClass = method.getDeclaringClass();
RateLimit rateLimit = method.getAnnotation(RateLimit.class);
if (rateLimit != null) {
HttpServletRequest request = ((ServletRequestAttributes) RequestContextHolder.getRequestAttributes()).getRequest();
String ipAddress = getIpAddr(request);
StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
stringBuffer.append(ipAddress).append("-")
.append(targetClass.getName()).append("- ")
.append(method.getName()).append("-")
.append(rateLimit.key());
List<String> keys = Collections.singletonList(stringBuffer.toString());
Number number = limitRedisTemplate.execute(redisluaScript, keys, rateLimit.count(), rateLimit.time());
if (number != null && number.intValue() != 0 && number.intValue() <= rateLimit.count()) {
logger.info("限流时间段内访问第：{} 次", number.toString());
return joinPoint.proceed();
}
} else {
return joinPoint.proceed();
}
throw new RuntimeException("已经到设置限流次数");
}
public static String getIpAddr(HttpServletRequest request) {
String ipAddress = null;
try {
ipAddress = request.getHeader("x-forwarded-for");
if (ipAddress == null || ipAddress.length() == 0 || "unknown".equalsIgnoreCase(ipAddress)) {
ipAddress = request.getHeader("Proxy-Client-IP");
}
if (ipAddress == null || ipAddress.length() == 0 || "unknown".equalsIgnoreCase(ipAddress)) {
ipAddress = request.getHeader("WL-Proxy-Client-IP");
}
if (ipAddress == null || ipAddress.length() == 0 || "unknown".equalsIgnoreCase(ipAddress)) {
ipAddress = request.getRemoteAddr();
}
// 对于通过多个代理的情况，第一个IP为客户端真实IP,多个IP按照','分割
if (ipAddress != null && ipAddress.length() > 15) { // "***.***.***.***".length()
// = 15
if (ipAddress.indexOf(",") > 0) {
ipAddress = ipAddress.substring(0, ipAddress.indexOf(","));
}
}
} catch (Exception e) {
ipAddress = "";
}
return ipAddress;
}
}

控制层

添加 @RateLimit() 注解，会在 Redsi 中生成 10 秒中，可以访问5次的key

RedisAtomicLong 是为测试例子例，记录累计访问次数，跟限流没有关系。

package com.souyunku.example.controller;
/**
* 描述: 测试页
*
* @author yanpenglei
* @create 2018-08-16 15:42
**/
@RestController
public class LimiterController {
@Autowired
private RedisTemplate redisTemplate;
// 10 秒中，可以访问10次
@RateLimit(key = "test", time = 10, count = 10)
@GetMapping("/test")
public String luaLimiter() {
RedisAtomicInteger entityIdCounter = new RedisAtomicInteger("entityIdCounter", redisTemplate.getConnectionFactory());
String date = DateFormatUtils.format(new Date(), "yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");
return date + " 累计访问次数：" + entityIdCounter.getAndIncrement();
}
}

启动服务

package com.souyunku.example;
@SpringBootApplication
public class SpringBootLimitApplication {
public static void main(String[] args) {
SpringApplication.run(SpringBootLimitApplication.class, args);
}
}

启动项目页面访问：http://127.0.0.1:8080/test

10 秒中，可以访问10次,超过十次，页面就报错，等够10秒，重新计算。

后台日志

2018-08-16 18:41:08.205 INFO 18076 --- [nio-8080-exec-1] com.souyunku.example.config.LimitAspect : 限流时间段内访问第：1 次
2018-08-16 18:41:08.426 INFO 18076 --- [nio-8080-exec-3] com.souyunku.example.config.LimitAspect : 限流时间段内访问第：2 次
2018-08-16 18:41:08.611 INFO 18076 --- [nio-8080-exec-5] com.souyunku.example.config.LimitAspect : 限流时间段内访问第：3 次
2018-08-16 18:41:08.819 INFO 18076 --- [nio-8080-exec-7] com.souyunku.example.config.LimitAspect : 限流时间段内访问第：4 次
2018-08-16 18:41:09.021 INFO 18076 --- [nio-8080-exec-9] com.souyunku.example.config.LimitAspect : 限流时间段内访问第：5 次
2018-08-16 18:41:09.203 INFO 18076 --- [nio-8080-exec-1] com.souyunku.example.config.LimitAspect : 限流时间段内访问第：6 次
2018-08-16 18:41:09.406 INFO 18076 --- [nio-8080-exec-3] com.souyunku.example.config.LimitAspect : 限流时间段内访问第：7 次
2018-08-16 18:41:09.629 INFO 18076 --- [nio-8080-exec-5] com.souyunku.example.config.LimitAspect : 限流时间段内访问第：8 次
2018-08-16 18:41:09.874 INFO 18076 --- [nio-8080-exec-7] com.souyunku.example.config.LimitAspect : 限流时间段内访问第：9 次
2018-08-16 18:41:10.178 INFO 18076 --- [nio-8080-exec-9] com.souyunku.example.config.LimitAspect : 限流时间段内访问第：10 次
2018-08-16 18:41:10.702 ERROR 18076 --- [nio-8080-exec-1] o.a.c.c.C.[.[.[/].[dispatcherServlet] : Servlet.service() for servlet [dispatcherServlet] in context with path [] threw exception [Request processing failed; nested exception is java.lang.RuntimeException: 已经到设置限流次数] with root cause
java.lang.RuntimeException: 已经到设置限流次数
at com.souyunku.example.config.LimitAspect.interceptor(LimitAspect.java:73) ~[classes/:na]
at sun.reflect.GeneratedMethodAccessor35.invoke(Unknown Source) ~[na:na]
at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43) ~[na:1.8.0_112]
at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498) ~[na:1.8.0_112]