面试官：限流的实现方式有哪些？

磊哥

发布于 2024-02-27 09:11:13

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发布于 2024-02-27 09:11:13

文章被收录于专栏：王磊的博客

限流是指在各种应用场景中，通过技术和策略手段对数据流量、请求频率或资源消耗进行有计划的限制，以避免系统负载过高、性能下降甚至崩溃的情况发生。限流的目标在于维护系统的稳定性和可用性，并确保服务质量。

使用限流的好处有以下几个：

保护系统稳定性：过多的并发请求可能导致服务器内存耗尽、CPU 使用率饱和，从而引发系统响应慢、无法正常服务的问题。
防止资源滥用：确保有限的服务资源被合理公平地分配给所有用户，防止个别用户或恶意程序过度消耗资源。
优化用户体验：对于网站和应用程序而言，如果任由高并发导致响应速度变慢，会影响所有用户的正常使用体验。
保障安全：在网络层面，限流有助于防范 DoS/DDoS 攻击，降低系统遭受恶意攻击的风险。
运维成本控制：合理的限流措施可以帮助企业减少不必要的硬件投入，节省运营成本。

在 Java 中，限流的实现方式有很多种，例如以下这些：

单机限流：使用 JUC 下的 Semaphore 限流，或一些常用的框架，例如 Google 的 Guava 框架进行限流，但这种限流方式都是基于 JVM 层面的内存级别的单台机器限流。
网关层限流：单机限流往往不适用于分布式系统，而分布式系统可以在网关层限流，如 Spring Cloud Gateway 通过 Sentinel、Hystrix 对整个集群进行限流。
Nginx 限流：通常在网关层的上游，我们会使用 Nginx 一起来配合使用，也就是用户请求会先到 Nginx（或 Nginx 集群），然后再将请求转发给网关，网关再调用其他的微服务，从而实现整个流程的请求调用，因此 Nginx 限流也是分布式系统中常用的限流手段。

它们限流的具体实现如下。

1.单机限流

JVM 层面多线程级别的限流可以使用 JUC 下的 Semaphore，具体使用示例如下：

import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class SemaphoreExample {

    private final Semaphore semaphore = new Semaphore(5); // 只允许5个线程同时访问

    public void accessResource() {
        try {
            semaphore.acquire(); // 获取许可，如果当前许可数不足，则会阻塞
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获得了许可，正在访问资源...");
            // 模拟访问资源的时间消耗
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "访问资源结束，释放许可...");
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
            e.printStackTrace();
        } finally {
            semaphore.release(); // 访问结束后释放许可
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SemaphoreExample example = new SemaphoreExample();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> example.accessResource()).start();
        }
    }
}

想要实现更平滑的单机限流，可以考虑 Google 提供的 Guava 框架，它的使用示例如下。

首先在 pom.xml 添加 guava 引用，配置如下：

<!-- https://mvnrepository.com/artifact/com.google.guava/guava -->
<dependency>
  <groupId>com.google.guava</groupId>
  <artifactId>guava</artifactId>
  <version>28.2-jre</version>
</dependency>

具体实现代码如下：

import com.google.common.util.concurrent.RateLimiter;
import java.time.Instant;

/**
 * Guava 实现限流
 */
public class RateLimiterExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 每秒产生 10 个令牌（每 100 ms 产生一个）
        RateLimiter rt = RateLimiter.create(10);
        for (int i = 0; i < 11; i++) {
            new Thread(() -> {
                // 获取 1 个令牌，获取到令牌就执行，否则就阻塞等待
                rt.acquire();
                System.out.println("正常执行方法，ts:" + Instant.now());
            }).start();
        }
    }
}

2.网关层限流

在 Spring Cloud Gateway 网关层限流，可以借助 Sentinel 等限流框架来实现，它的实现步骤如下。

首先，在 pom.xml 中添加 Gateway 和 Sentinel 相关依赖，如下所示：

<dependency>
  <groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
  <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-sentinel</artifactId>
</dependency>
<dependency>
  <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
  <artifactId>spring-cloud-starter-gateway</artifactId>
</dependency>
<dependency>
  <groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
  <artifactId>spring-cloud-alibaba-sentinel-gateway</artifactId>
</dependency>

配置限流相关的规则，如下示例所示：

spring:
  application:
    name: gate-way-blog
  cloud:
    sentinel:
      transport:
        dashboard: localhost:18080
      scg: # 配置限流之后，响应内容
        fallback:
          # 两种模式，一种是 response 返回文字提示信息，
          # 另一种是 redirect 重定向跳转，不过配置 redirect 也要配置对应的跳转的 uri
          mode: response
          # 响应的状态
          response-status: 200
          # 响应体
          response-body: '{"code": -10,"message": "被熔断或限流！"}'

最后在 Sentinel 控制台配置网关的限流设置即可，当然也可以使用 Nacos 作为数据源，两者选择配置其中一个即可。

3.Nginx 限流

Nginx 提供了两种限流手段：

通过控制速率来实现限流。
通过控制并发连接数来实现限流。

我们一个一个来看。

3.1 控制速率实现限流

我们需要使用 limit_req_zone 用来限制单位时间内的请求数，即速率限制，示例配置如下：

limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server {
  location / {
    limit_req zone=mylimit;
  }
}

以上配置表示，限制每个 IP 访问的速度为 2r/s，因为 Nginx 的限流统计是基于毫秒的，我们设置的速度是 2r/s，转换一下就是 500ms 内单个 IP 只允许通过 1 个请求，从 501ms 开始才允许通过第 2 个请求。

我们使用单 IP 在 10ms 内发并发送了 6 个请求的执行结果如下：

从以上结果可以看出他的执行符合我们的预期，只有 1 个执行成功了，其他的 5 个被拒绝了（第 2 个在 501ms 才会被正常执行）。

速率限制升级版

上面的速率控制虽然很精准但是应用于真实环境未免太苛刻了，真实情况下我们应该控制一个 IP 单位总时间内的总访问次数，而不是像上面那么精确但毫秒，我们可以使用 burst 关键字开启此设置，示例配置如下：

limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server {
  location / {
    limit_req zone=mylimit burst=4;
  }
}

burst=4 表示每个 IP 最多允许4个突发请求，如果单个 IP 在 10ms 内发送 6 次请求的结果如下：

从以上结果可以看出，有 1 个请求被立即处理了，4 个请求被放到 burst 队列里排队执行了，另外 1 个请求被拒绝了。

3.2 控制并发数实现限流

利用 limit_conn_zone 和 limit_conn 两个指令即可控制并发数，示例配置如下：

limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=perip:10m;
limit_conn_zone $server_name zone=perserver:10m;
server {
  ...
  limit_conn perip 10;
  limit_conn perserver 100;
}

其中 limit_conn perip 10 表示限制单个 IP 同时最多能持有 10 个连接；limit_conn perserver 100 表示 server 同时能处理并发连接的总数为 100 个。