分布式高并发服务限流实现方案

服务限流场景

在高并发大流量系统中，由于并发大造成服务资源不足，负载过高，进而引发致一系列问题，这里的流量一般都是突发性的，由于系统准备不足，很难短期扩容来应对 ，进行限流是最常用的手段，所以说限流也是服务稳定性治理重要的手段。

限流可能发生在多个层面：

1.用户网络层：突发的流量场景如热点事件流量（秒杀事件、热门抢购，微博热搜），恶意刷流，竞对爬虫等。

2.内部应用层：上游服务的异常调用，脚本异常请求，失败重试策略造成流量突发。

实现限流方案

常用的限流方法主要有三种：计数器算法，漏斗桶算法，令牌桶算法。

1.计算器限流

1.1 实现原理

设计限流条件，如根据用户id/商户id/IP/UUID+请求url作为限流对象，对限流对象的每次流量访问进行全局计数，设置限流阈值（1000次/秒，10000/分钟），如果统计时间窗口期内达到阈值就进行限流。

对单机限流来说，使用全局内存计数即可，但对分布式系统需要有一个公共存储计数，redis是最佳存储方案，且redis的incr能保障原子性操作。

1.2 代码实现

//@param key string object for rate limit such as uid/ip+url
//@param fillInterval time.Duration such as 1*time.Second
//@param limitNum max int64 allowed number per fillInterval
//@return whether reach rate limit, false means reach.
func fixedWindowRateLimit(key string, fillInterval time.Duration, limitNum int64) bool {
    //current tick time window
    tick := int64(time.Now().Unix() / int64(fillInterval.Seconds()))
    currentKey := fmt.Sprintf("%s_%d_%d_%d", key, fillInterval, limitNum, tick)

    startCount := 0
    _, err := client.SetNX(currentKey, startCount, fillInterval).Result()
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    //number in current time window
    quantum, err := client.Incr(currentKey).Result()
    if err != nil {
        panic(err)
    } 
    if quantum > limitNum {
        return false
    } 
    return true
}

完整代码参见：

https://github.com/skyhackvip/ratelimit/blob/master/fixedwindow.go

测试代码：

func test1() {
for i := 0; i < 10; i++ {
go func() {
            rs := fixedWindowRateLimit("test1", 1*time.Second, 5)
            fmt.Println("result is:", rs)
        }() 
    }   
}

测试执行结果：

根据执行结果可以看到，1秒中有10个请求，只有5个通过，另5个被限流返回false。

这个代码实现的是固定时间窗口，有一个问题，当流量在上一个时间窗口下半段和下一个时间窗口上半段集中爆发，那么这两段组成的时间窗口内流量是会超过limit限制的。

测试代码如下，拉长时间窗口为1分钟，1分钟限流5个，前30s没流量，之后每10s一个请求：

func test2() {
    fillInteval := 1 * time.Minute
    var limitNum int64 = 5
    waitTime := 30
    fmt.Printf("time range from 0 to %d\n", waitTime)
    time.Sleep(time.Duration(waitTime) * time.Second)
    for i := 0; i < 10; i++ {
        fmt.Printf("time range from %d to %d\n", i*10+waitTime, (i+1)*10+waitTime)
        rs := fixedWindowRateLimit("test2", fillInteval, limitNum)
        fmt.Println("result is:", rs)
        time.Sleep(10 * time.Second)
    }
}

根据执行结果可以看到，0-60s总共4个true满足1分钟窗口5个，60-120总共5个true，1个false满足限流，但30-90这1分钟的时间窗总共6个true，超过5个限制。

1.3 方案改进：使用滑动窗口

//segmentNum split inteval time into smaller segments
func slidingWindowRatelimit(key string, fillInteval time.Duration, segmentNum int64, limitNum int64) bool {
    segmentInteval := fillInteval.Seconds() / float64(segmentNum)
    tick := float64(time.Now().Unix()) / segmentInteval
    currentKey := fmt.Sprintf("%s_%d_%d_%d_%f", key, fillInteval, segmentNum, limitNum, tick)

    startCount := 0
    _, err := client.SetNX(currentKey, startCount, fillInteval).Result()
    if err != nil {
        panic(err)
    }   
    quantum, err := client.Incr(currentKey).Result()
    if err != nil {
        panic(err)
    }   
    //add in the number of the previous time
    for tickStart := segmentInteval; tickStart < fillInteval.Seconds(); tickStart += segmentInteval {
        tick = tick - 1 
        preKey := fmt.Sprintf("%s_%d_%d_%d_%f", key, fillInteval, segmentNum, limitNum, tick)
        val, err := client.Get(preKey).Result()
        if err != nil {
            val = "0" 
        }   
        num, err := strconv.ParseInt(val, 0, 64) 
        quantum = quantum + num 
        if quantum > limitNum {
            client.Decr(currentKey).Result()
            return false
        }   
    }   
    return true
}

完整代码参见：

https://github.com/skyhackvip/ratelimit/blob/master/slidingwindow.go

滑动窗口增加一个参数segmentNum，表示把固定窗口再分成几段，如上图的0-10 ... 50-60，把1分钟分成6段，代码执行结果如下，30-90,40-100,任意1分钟滑动窗口都满足5个最大限制。

1.4 计数器的适用场景

适用于做API限流，比如对外提供ip定位查询服务api，天气查询api等，可以根据ip做粒度控制，防止恶意刷接口造成异常，也适用于提供API查询服务做配额限制，一般限流后会对请求做丢弃处理。

局限：窗口算法对于流量限制是定速的，对细粒度时间控制突发流量控制能力就有限了。

2.漏斗桶限流

2.1 实现原理

漏斗桶形象比喻为一个滤水漏斗，水滴（请求）可能很快把漏斗填满（流量流入），漏斗出来的水滴（流量处理）是匀速固定的，桶满则新进入水滴（请求）会被限流。

图片来自网络

常用队列方式来实现，请求到达后放入队列中，有一个处理器从队列匀速取出进行处理。当桶满了，新流量过来会被限流。

uber提供了基于漏斗桶的算法实现可以参考：

https://github.com/uber-go/ratelimit

另外：redis4.0提供了限流模块，redis-cell，该模块使用漏斗算法，并提供原子限流指令。

cl.throttle key capacity limitNum fillInteval

2.2 漏斗桶适用场景

漏斗桶更像是对流量进行整形Traffic Shaping，所有流量过来都要进行排队，依次出去，可用于做一些论坛博客发帖频率限制。

相对于计数器限流，达到限流后该时间窗口会丢弃一切请求，漏斗在桶满后，由于还会有持续流出，新到达请求还有机会流入。

局限：由于出口处理速率是匀速的，短时有大量突发请求，即使负载压力不大，请求仍需要在队列等待处理。

3.令牌桶限流

3.1 实现原理

令牌桶算法是一个桶，匀速向桶里放令牌，控制桶最大容量（令牌最大数）和放入令牌速率（生成令牌/秒）。请求从桶中拿令牌，拿到令牌可以通过，拿不到就被限流了。

当访问量小时，令牌桶可以积累令牌到桶满，而当短时突发流量，积累的令牌能保障大量请求可以立刻拿到令牌，令牌用完了，请求会依赖于新令牌申请速度，这时会退化成类似漏斗桶算法。

图片来自网络

具体实现上，可以使用redis的list，启动任务向list匀速放置数据，当有请求时从list取数据，取到代表通过，否则被限流。这么实现是可行的，但有个弊端，就是需要不断操作list，浪费内存空间，而实际上可以使用实时算法计算的方式来计算可用令牌数。

公式：可用令牌数=（当前请求时间-上次请求时间）*令牌生成速率 + 上次使用后剩余令牌数，当然这个数需要再和桶容量比较求小。

如果可用令牌数 > 0代表有令牌，剩余令牌数-1，并更新保存本次剩余令牌数和本次请求时间用于下次计算，这种方式也是惰性加载/计算的一种体现。

3.2 代码实现

//rate increment number per second
//capacity total number in the bucket
func bucketTokenRateLimit(key string, fillInterval time.Duration, limitNum int64, capacity int64) bool {
    currentKey := fmt.Sprintf("%s_%d_%d_%d", key, fillInterval, limitNum, capacity)
    numKey := "num"
    lastTimeKey := "lasttime"
    currentTime := time.Now().Unix()
//only init once
    client.HSetNX(currentKey, numKey, capacity).Result()
    client.HSetNX(currentKey, lastTimeKey, currentTime).Result()
//compute current available number
    result, _ := client.HMGet(currentKey, numKey, lastTimeKey).Result()
    lastNum, _ := strconv.ParseInt(result[0].(string), 0, 64) 
    lastTime, _ := strconv.ParseInt(result[1].(string), 0, 64) 
    rate := float64(limitNum) / float64(fillInterval.Seconds())
    fmt.Println(rate)
    incrNum := int64(math.Ceil(float64(currentTime-lastTime) * rate)) //increment number from lasttime to currenttime
    fmt.Println(incrNum)
    currentNum := min(lastNum+incrNum, capacity)
//can access
if currentNum > 0 { 
var fields = map[string]interface{}{lastTimeKey: currentTime, numKey: currentNum - 1}
        a := client.HMSet(currentKey, fields)
        fmt.Println(a)
return true
    }
return false
}

完整代码参见：

https://github.com/skyhackvip/ratelimit/blob/master/buckettoken.go

还有更多需要可实现细节如预热桶、一次性放入多个令牌、一次性取多个令牌。同时由于原子性问题，通过redis+lua脚本操作（lua实现令牌桶）会更好。

3.3 令牌桶适用场景

令牌桶既能够将所有请求平均分布到时间区间内，又能接受突发请求，因此使用最广泛的限流算法，像java中比较有名的guava就有实现。

 4.方案对比选择

	计数器	漏斗桶	令牌桶
具体实现	使用全局计数	使用队列+处理器	使用漏斗算法
适用场景	API配额/限流 适合限流后丢弃处理	流量整形 适合限流后阻塞排队	大多数场景均可

5.限流部署

5.1 “分布式部署” 限流单个服务实例

限流代码在应用服务内，使用aop方式（如gin的middleware），当应用请求时（request）进行拦截检查，通过则继续执行请求，否则将被限流进行处理。

func rateLimitMiddleware() gin.HandlerFunc {
    return func(c *gin.Context) {
        bucketTokenRateLimit(c.Param("uid"))
    }
}

由于应用服务是分布式集群，每个服务实例中的限流拦截器只能拦截本实例中的请求数，那么对于总体限流就需要有一定策略分摊到每个单体实例中。比如10000次/秒，服务部署10个实例，每个实例限流可以平均分配（1000次/秒），也可根据不同实例不同权重分配。

优点：可以有效防止单机突发流量导致的压垮，满足限流初衷，适合对并发做流量限制。

缺点：由于每个实例的流量不均等，可能有的实例已经限流，有的机器实例仍很空闲，牺牲部分流量。

5.2 “集中式部署”使用统一限流服务中心

5.2.1 部署统一限流中心

所有服务实例去请求统一限流中心，中心根据流量情况告知服务是否通过，这种方案最大的问题就是多了一次服务调用，同时集中限流器也会成为最大性能瓶颈。

5.2.2 限流部署在接入层

一般分布式服务都设有网关层/路由层/接入层，如果集中限流器可部署到其中，可以解决上述多调用问题。一般常用nginx + lua做网关层限流，lua脚本也可以使用上述几种算法。

优点：适合做细粒度限流或访问配额

缺点：对下游单个服务实例或依赖的服务不够平滑，仍有流量突发过载的可能，所以可以结合上面的方式一起部署，多重防护。

5.3 服务中心与单机限流结合

可以使用基于请求日志收集，分析日志，根据限流规则做限流服务，分析出限流结果后，下发限流指令（通过队列或集中配中心）到服务节点，节点进行限流控制。架构图如下：

此方案关键在于：日志处理分析的及时性，可采用flink流式计算方式。

5.4 限流规则配置

限流关键在于限流规则配置，是针对某个url还是针对一个服务，阈值应该如何设置，时间窗口如何设计，都是需要考虑的因素。

一般分几部分：接口粒度，时间粒度，最大限流数

接口粒度：限流对象可以配置多种限流策略针对服务单个实例，针对整个服务集群，针对某个接口，针对某类接口等。

时间粒度：如上述计数器算法中举例，使用1分钟做限流粒度更容易出某个小粒度时间窗口期出现异常流量。60000次/分钟，1000次/秒，10次/毫秒看似一样，但限流效果不同，时间粒度越细流量整形越好，越平滑，但也不越小越好。对秒杀类场景，瞬时流量非常大，QPS大，适合时间粒度小的。对QPS不大的场景，可以使用大的时间粒度。

最大限流数：一般需要性能压测、业务预期评估、线上监控、往期经验等来做参考设置。

更多考虑，如API接口服务针对vip用户针对普通用户，限流不同，可以用预留、权重、上限等维度进行不同调度，参考dmclock,mclock算法。

5.5 限流处理方式

限流后处理方式可以做服务降级（返回默认值、默认页面）、请求丢弃（拒绝请求）、请求排队（阻塞请求）、发送报警人工介入处理等。有直接结合服务降级熔断的如Sentinel、Hystrix。

更多参考资料

文章相关实现代码：

https://github.com/skyhackvip/ratelimit

dmclock算法参考：

https://github.com/ceph/dmclock