Java限流实现的几种方法详解

时间:2022-12-03 tcoding 人气:0

计数器

计数器限流方式比较粗暴，一次访问就增加一次计数，在系统内设置每 N 秒的访问量，超过访问量的访问直接丢弃，从而实现限流访问。

具体大概是以下步骤：

将时间划分为固定的窗口大小，例如 1 s;
在窗口时间段内，每来一个请求，对计数器加 1；
当计数器达到设定限制后，该窗口时间内的后续请求都将被丢弃；
该窗口时间结束后，计数器清零，从新开始计数。

这种算法的弊端

在开始的时间，访问量被使用完后，1 s 内会有很长时间的真空期是处于接口不可用的状态的，同时也有可能在一秒内出现两倍的访问量。

T窗口的前1/2时间无流量进入，后1/2时间通过5个请求；

T+1窗口的前 1/2时间通过5个请求，后1/2时间因达到限制丢弃请求。
因此在 T的后1/2和(T+1)的前1/2时间组成的完整窗口内，通过了10个请求。

代码实现

 private final Semaphore count = new Semaphore(5);
 @PostConstruct
    public void init() {
        //初始化定时任务线程池
        ScheduledExecutorService service = new ScheduledThreadPoolExecutor(2, t -> {
            Thread thread = new Thread(t);
            thread.setName("limit");
            return thread;
        });
        // 每10s执行5次
        service.scheduleAtFixedRate(() -> count.release(5), 10, 10, TimeUnit.SECONDS);
  }
 	/**
     * 计数器限流
     */
    public void count() {
        try {
            count.acquire();
            System.out.println("count");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

信号量

控制并发访问量

具体大概是以下步骤：

初始化信号量
每个请求获取信号量，请求完释放

代码实现

	private final Semaphore flag = new Semaphore(5);
	/**
     * 信号量限流
     */
    public void flag() {
        try {
            flag.acquire();
            System.out.println("flag");
            int i = new Random().nextInt(10);
            TimeUnit.SECONDS.sleep(i);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            flag.release();
        }
    }

滑动窗口

具体大概是以下步骤：

将时间划分为细粒度的区间每个区间
维持一个计数器，每进入一个请求则将计数器加一；
多个区间组成一个时间窗口，每流逝一个区间时间后，则抛弃最老的一个区间，纳入新区间。如图中示例的窗口 T1 变为窗口 T2；
若当前窗口的区间计数器总和超过设定的限制数量，则本窗口内的后续请求都被丢弃。

代码实现

  private final AtomicInteger[] window = new AtomicInteger[10];
 @PostConstruct
    public void init() {
        //初始化定时任务线程池
        ScheduledExecutorService service = new ScheduledThreadPoolExecutor(2, t -> {
            Thread thread = new Thread(t);
            thread.setName("limit");
            return thread;
        });
        // 10个窗口，每次滑动1s
        Arrays.fill(window, new AtomicInteger(0));
        service.scheduleAtFixedRate(() -> {
            int index = (int) (System.currentTimeMillis() / 1000 % 10);
            window[index] = new AtomicInteger(0);
        }, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);
}
 	/**
     * 滑动窗口
     */
    public void window() {
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < window.length; i++) {
            sum += window[i].get();
        }
        if (sum > 10) {
            return;
        }
        System.out.println("window");
        int index = (int) (System.currentTimeMillis() / 1000 % 10);
        window[index].getAndAdd(1);
    }

漏桶

具体大概是以下步骤：

初始化一个队列，做桶
每个请求入队列，队列满则阻塞
启动定时任务，以固定的速率执行，执行时判读一下入队时间，如果延迟太久，直接丢弃（有可能客户端已经超时，服务端还没有处理）

代码实现

 private final BlockingQueue<Long> queue = new LinkedBlockingDeque<>(5);
  @PostConstruct
    public void init() {
        //初始化定时任务线程池
        ScheduledExecutorService service = new ScheduledThreadPoolExecutor(2, t -> {
            Thread thread = new Thread(t);
            thread.setName("limit");
            return thread;
        });
        // 一恒定的速率执行
        service.scheduleAtFixedRate(() -> {
            try {
                if (System.currentTimeMillis() - queue.take() > 1000L) {
                    process();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, 100, 100, TimeUnit.MILLISECONDS);
}
	/**
     * 漏桶限流
     */
    public void bucket() {
        try {
            queue.put(System.currentTimeMillis());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
  private void process() {
        System.out.println("process");
    }

令牌桶

令牌桶算法是漏斗算法的改进版，为了处理短时间的突发流量而做了优化，令牌桶算法主要由三部分组成：令牌流、数据流、令牌桶。

名词释义：

令牌桶：流通令牌的管道，用于生成的令牌的流通，放入令牌桶中。
数据流：进入系统的数据流量。
令牌桶：保存令牌的区域，可以理解为一个缓冲区，令牌保存在这里用于使用。

具体大概是以下步骤：

初始化一个队列做桶，大小为通的大小
启动定时任务，以一定的速率往队列中放入令牌
每个请求来临，去队列中获取令牌，获取成功正执行，否则阻塞

代码实现

private final BlockingQueue<Integer> token = new LinkedBlockingDeque<>(5);
  @PostConstruct
    public void init() {
        //初始化定时任务线程池
        ScheduledExecutorService service = new ScheduledThreadPoolExecutor(2, t -> {
            Thread thread = new Thread(t);
            thread.setName("limit");
            return thread;
        });
        // 以恒定的速率放入令牌
        service.scheduleAtFixedRate(() -> {
            try {
                token.put(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, 1, 1, TimeUnit.SECONDS);
    }
    public void token() {
        try {
            token.take();
            System.out.println("token");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

测试

  @Resource
    private LimitDemo demo;
    @Test
    public void count() throws InterruptedException {
        process(() -> demo.count());
    }
    @Test
    public void flag() throws InterruptedException {
        process(() -> demo.flag());
    }
    @Test
    public void window() throws InterruptedException {
        process(() -> demo.window());
    }
    @Test
    public void bucket() throws InterruptedException {
        process(() -> demo.bucket());
    }
    @Test
    public void token() throws InterruptedException {
        process(() -> demo.token());
    }
    private void process(Process process) throws InterruptedException {
        CompletableFuture<?>[] objects = IntStream.range(0, 10).mapToObj(i -> CompletableFuture.runAsync(() -> {
            while (true) {
                process.execute();
            }
        })).collect(Collectors.toList()).toArray(new CompletableFuture<?>[] {});
        CompletableFuture.allOf(objects);
        new CountDownLatch(1).await();
    }
    @FunctionalInterface
    public interface Process {
        void execute();
    }

示例代码

源码地址 https://github.com/googalAmbition/googol/tree/master/limit

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