上篇文章提到固定时间窗口限流无法处理突然请求洪峰情况，本文讲述的令牌桶线路算法则可以比较好的处理此场景。
工作原理
- 单位时间按照一定速率匀速的生产 token 放入桶内，直到达到桶容量上限。
- 处理请求，每次尝试获取一个或多个令牌，如果拿到则处理请求，失败则拒绝请求。
优缺点
优点
可以有效处理瞬间的突发流量，桶内存量 token 即可作为流量缓冲区平滑处理突发流量。
缺点
实现较为复杂。
代码实现
core/limit/tokenlimit.go
分布式环境下考虑使用 redis 作为桶和令牌的存储容器，采用 lua 脚本实现整个算法流程。
redis lua 脚本
-- 每秒生成token数量即token生成速度
local rate = tonumber(ARGV[1])
-- 桶容量
local capacity = tonumber(ARGV[2])
-- 当前时间戳
local now = tonumber(ARGV[3])
-- 当前请求token数量
local requested = tonumber(ARGV[4])
-- 需要多少秒才能填满桶
local fill_time = capacity/rate
-- 向下取整,ttl为填满时间的2倍
local ttl = math.floor(fill_time*2)
-- 当前时间桶容量
local last_tokens = tonumber(redis.call("get", KEYS[1]))
-- 如果当前桶容量为0,说明是第一次进入,则默认容量为桶的最大容量
if last_tokens == nil then
last_tokens = capacity
end
-- 上一次刷新的时间
local last_refreshed = tonumber(redis.call("get", KEYS[2]))
-- 第一次进入则设置刷新时间为0
if last_refreshed == nil then
last_refreshed = 0
end
-- 距离上次请求的时间跨度
local delta = math.max(0, now-last_refreshed)
-- 距离上次请求的时间跨度,总共能生产token的数量,如果超多最大容量则丢弃多余的token
local filled_tokens = math.min(capacity, last_tokens+(delta*rate))
-- 本次请求token数量是否足够
local allowed = filled_tokens >= requested
-- 桶剩余数量
local new_tokens = filled_tokens
-- 允许本次token申请,计算剩余数量
if allowed then
new_tokens = filled_tokens - requested
end
-- 设置剩余token数量
redis.call("setex", KEYS[1], ttl, new_tokens)
-- 设置刷新时间
redis.call("setex", KEYS[2], ttl, now)
return allowed
令牌桶限流器定义
type TokenLimiter struct {
// 每秒生产速率
rate int
// 桶容量
burst int
// 存储容器
store *redis.Redis
// redis key
tokenKey string
// 桶刷新时间key
timestampKey string
// lock
rescueLock sync.Mutex
// redis健康标识
redisAlive uint32
// redis故障时采用进程内 令牌桶限流器
rescueLimiter *xrate.Limiter
// redis监控探测任务标识
monitorStarted bool
}
func NewTokenLimiter(rate, burst int, store *redis.Redis, key string) *TokenLimiter {
tokenKey := fmt.Sprintf(tokenFormat, key)
timestampKey := fmt.Sprintf(timestampFormat, key)
return &TokenLimiter{
rate: rate,
burst: burst,
store: store,
tokenKey: tokenKey,
timestampKey: timestampKey,
redisAlive: 1,
rescueLimiter: xrate.NewLimiter(xrate.Every(time.Second/time.Duration(rate)), burst),
}
}
获取令牌
func (lim *TokenLimiter) reserveN(now time.Time, n int) bool {
// 判断redis是否健康
// redis故障时采用进程内限流器
// 兜底保障
if atomic.LoadUint32(&lim.redisAlive) == 0 {
return lim.rescueLimiter.AllowN(now, n)
}
// 执行脚本获取令牌
resp, err := lim.store.Eval(
script,
[]string{
lim.tokenKey,
lim.timestampKey,
},
[]string{
strconv.Itoa(lim.rate),
strconv.Itoa(lim.burst),
strconv.FormatInt(now.Unix(), 10),
strconv.Itoa(n),
})
// redis allowed == false
// Lua boolean false -> r Nil bulk reply
// 特殊处理key不存在的情况
if err == redis.Nil {
return false
} else if err != nil {
logx.Errorf("fail to use rate limiter: %s, use in-process limiter for rescue", err)
// 执行异常，开启redis健康探测任务
// 同时采用进程内限流器作为兜底
lim.startMonitor()
return lim.rescueLimiter.AllowN(now, n)
}
code, ok := resp.(int64)
if !ok {
logx.Errorf("fail to eval redis script: %v, use in-process limiter for rescue", resp)
lim.startMonitor()
return lim.rescueLimiter.AllowN(now, n)
}
// redis allowed == true
// Lua boolean true -> r integer reply with value of 1
return code == 1
}
redis 故障时兜底策略
兜底策略的设计考虑得非常细节，当 redis 不可用的时候，启动单机版的 ratelimit 做备用限流，确保基本的限流可用，服务不会被冲垮。
// 开启redis健康探测
func (lim *TokenLimiter) startMonitor() {
lim.rescueLock.Lock()
defer lim.rescueLock.Unlock()
// 防止重复开启
if lim.monitorStarted {
return
}
// 设置任务和健康标识
lim.monitorStarted = true
atomic.StoreUint32(&lim.redisAlive, 0)
// 健康探测
go lim.waitForRedis()
}
// redis健康探测定时任务
func (lim *TokenLimiter) waitForRedis() {
ticker := time.NewTicker(pingInterval)
// 健康探测成功时回调此函数
defer func() {
ticker.Stop()
lim.rescueLock.Lock()
lim.monitorStarted = false
lim.rescueLock.Unlock()
}()
for range ticker.C {
// ping属于redis内置健康探测命令
if lim.store.Ping() {
// 健康探测成功，设置健康标识
atomic.StoreUint32(&lim.redisAlive, 1)
return
}
}
}
项目地址
https://github.com/zeromicro/go-zero
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