前言
最近我們系統引入了Guava的RateLimiter限流組件，它是基於令牌桶算法的實現的。本文將跟大家一起學習幾種經典的限流算法。
限流是什麼?
維基百科的概念如下：
In computer networks, rate limiting is used to control the rate of requests sent or
received by a network interface controller. It can be used to prevent DoS attacks
and limit web scraping
簡單翻譯一下：在計算機網絡中，限流就是控制網絡接口發送或接收請求的速率，它可防止DoS攻擊和限制Web爬蟲。
限流，也稱流量控制。是指系統在面臨高併發，或者大流量請求的情況下，限制新的請求對系統的訪問，從而保證系統的穩定性。限流會導致部分用戶請求處理不及時或者被拒，這就影響了用戶體驗。所以一般需要在系統穩定和用戶體驗之間平衡一下。舉個生活的例子：
一些熱門的旅遊景區，一般會對每日的旅遊參觀人數有限制的。每天只會賣出固定數目的門票，比如5000張。假設在五一、國慶假期，你去晚了，可能當天的票就已經賣完了，就無法進去遊玩了。即使你進去了，排隊也能排到你懷疑人生。
常見的限流算法
固定窗口限流算法
首先維護一個計數器，將單位時間段當做一個窗口，計數器記錄這個窗口接收請求的次數。
- 當次數少於限流閥值，就允許訪問，並且計數器+1
- 當次數大於限流閥值，就拒絕訪問。
- 當前的時間窗口過去之後，計數器清零。
假設單位時間是1秒，限流閥值爲3。在單位時間1秒內，每來一個請求,計數器就加1，如果計數器累加的次數超過限流閥值3，後續的請求全部拒絕。等到1s結束後，計數器清0，重新開始計數。如下圖：
僞代碼如下：
/**
* 固定窗口時間算法
* @return
*/
boolean fixedWindowsTryAcquire() {
long currentTime = System.currentTimeMillis(); //獲取系統當前時間
if (currentTime - lastRequestTime > windowUnit) { //檢查是否在時間窗口內
counter = 0; // 計數器清0
lastRequestTime = currentTime; //開啓新的時間窗口
}
if (counter < threshold) { // 小於閥值
counter++; //計數器加1
return true;
}
return false;
}
但是，這種算法有一個很明顯的臨界問題：假設限流閥值爲5個請求，單位時間窗口是1s,如果我們在單位時間內的前0.8-1s和1-1.2s，分別併發5個請求。雖然都沒有超過閥值，但是如果算0.8-1.2s,則併發數高達10，已經超過單位時間1s不超過5閥值的定義啦。
滑動窗口限流算法
滑動窗口限流解決固定窗口臨界值的問題。它將單位時間週期分爲n個小週期，分別記錄每個小週期內接口的訪問次數，並且根據時間滑動刪除過期的小週期。
一張圖解釋滑動窗口的算法，如下：
假設單位時間還是1s，滑動窗口算法把它劃分爲5個小週期，也就是滑動窗口（單位時間）被劃分爲5個小格子。每格表示0.2s。每過0.2s，時間窗口就會往右滑動一格。然後呢，每個小週期，都有自己獨立的計數器，如果請求是0.83s到達的，0.8~1.0s對應的計數器就會加1。
我們來看下滑動窗口是如何解決臨界問題的？
假設我們1s內的限流閥值還是5個請求，0.81.0內（比如0.9s的時候）來了5個請求，落在黃色格子裏。時間過了1.0s之後，又來5個請求，落在紫色格子裏。如果**是固定窗口算法，是不會限流的**，但是**滑動窗口的話，每過一個小週期，它會右移一個小格**。過了1.0s後，會右移一小格，當前的單位時間段是0.21.2s，這個區域的請求已經超過限定的5了，已觸發限流啦，實際上，紫色格子的請求都被拒絕啦。
TIPS: 當滑動窗口的格子週期劃分得越多，那麼滑動窗口的滾動就越平滑，限流的統計就會越精確。
漏桶算法
漏桶算法的原理很簡單，可以認爲就是注水漏水的過程。往漏桶中以任意速率流入水，以固定的速率流出水。當水超過桶的容量時，會被溢出，也就是被丟棄。因爲桶的容量是不變的，保證了整體的速率。
- 流水的水滴，可以看作是訪問系統的請求，這個流入速率是不確定的。
- 桶的容量一般表示系統所能處理的請求數。
- 如果桶的容量滿了，就達到限流的閥值，就會丟棄水滴（拒絕請求）
- 流出的水滴，是恆定熟慮的，對應服務按照固定的速率處理請求。
在正常流量的時候，系統按照固定的速率處理請求，是我們想要的。但是面對突發流量的時候，漏桶算法還是循規蹈矩地處理請求，這就不是我們想看到的啦。流量變突發是，我們肯定希望系統儘量快點處理請求，提升用戶體驗嘛。
令牌桶算法
面對突發流量的時候，我們可以使用令牌桶算法限流。
令牌桶算法原理：
- 有一個令牌管理員，根據限流大小，定速往令牌桶裏放令牌。
- 如果令牌數量滿了，超過令牌桶容量的限制，那就丟棄。
- 系統在接受到一個用戶請求時，都會先去令牌桶要一個令牌。如果拿到令牌，那麼就處理這個請求的業務邏輯；
- 如果拿不到令牌，就直接拒絕這個請求。
如果令牌發放的策略正確，這個系統即不會被拖垮，也能提高機器的利用率。