面试官：限流算法有哪些？

作者：王磊

2023-02-20
陕西
本文字数：2377 字
阅读完需：约 8 分钟

限流的实现算法有很多，但常见的限流算法有三种：计数器算法、漏桶算法和令牌桶算法。

1.计数器算法

计数器算法是在一定的时间间隔里，记录请求次数，当请求次数超过该时间限制时，就把计数器清零，然后重新计算。当请求次数超过间隔内的最大次数时，拒绝访问。

计数器算法的实现比较简单，但存在“突刺现象”。

突刺现象是指，比如限流 QPS（每秒查询率）为 100，算法的实现思路就是从第一个请求进来开始计时，在接下来的 1 秒内，每来一个请求，就把计数加 1，如果累加的数字达到了 100，后续的请求就会被全部拒绝。等到 1 秒结束后，把计数恢复成 0，重新开始计数。如果在单位时间 1 秒内的前 10 毫秒处理了 100 个请求，那么后面的 990 毫秒会请求拒绝所有的请求，我们把这种现象称为“突刺现象”。

计数器算法的简单实现代码如下：

import java.util.Calendar;import java.util.Date;import java.util.Random;
public class CounterLimit {    // 记录上次统计时间    static Date lastDate = new Date();    // 初始化值    static int counter = 0;    // 限流方法    static boolean countLimit() {        // 获取当前时间        Date now = new Date();        Calendar calendar = Calendar.getInstance();        calendar.setTime(now);        // 当前分        int minute = calendar.get(Calendar.MINUTE);        calendar.setTime(lastDate);        int lastMinute = calendar.get(Calendar.MINUTE);        if (minute != lastMinute) {            lastDate = now;            counter = 0;        }        ++counter;        return counter >= 100; // 判断计数器是否大于每分钟限定的值。    }
    // 测试方法    public static void main(String[] args) {        for (; ; ) {            // 模拟一秒            try {                Thread.sleep(1000);            } catch (InterruptedException e) {                e.printStackTrace();            }            Random random = new Random();            int i = random.nextInt(3);            // 模拟1秒内请求1次            if (i == 1) {                if (countLimit()) {                    System.out.println("限流了" + counter);
                } else {                    System.out.println("没限流" + counter);                }            } else if (i == 2) { // 模拟1秒内请求2次                for (int j = 0; j < 2; j++) {                    if (countLimit()) {                        System.out.println("限流了" + counter);                    } else {                        System.out.println("没限流" + counter);                    }                }            } else { // 模拟1秒内请求10次                for (int j = 0; j < 10; j++) {                    if (countLimit()) {                        System.out.println("限流了" + counter);                    } else {                        System.out.println("没限流" + counter);                    }                }            }        }    }}

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2.漏桶算法

漏桶算法的实现思路是，有一个固定容量的漏桶，水流（请求）可以按照任意速率先进入到漏桶里，但漏桶总是以固定的速率匀速流出，当流入量过大的时候（超过桶的容量），则多余水流（请求）直接溢出。如下图所示：

漏桶算法提供了一种机制，通过它可以让突发流量被整形，以便为系统提供稳定的请求，比如 Sentinel 中流量整形（匀速排队功能）就是此算法实现的，如下图所示：

更多 Sentinel 内容详见：https://mp.weixin.qq.com/s/nF5f18BP8hscqIEmIFRN8Q

3.令牌桶算法

令牌按固定的速率被放入令牌桶中，桶中最多存放 N 个令牌（Token），当桶装满时，新添加的令牌被丢弃或拒绝。当请求到达时，将从桶中删除 1 个令牌。令牌桶中的令牌不仅可以被移除，还可以往里添加，所以为了保证接口随时有数据通过，必须不停地往桶里加令牌。由此可见，往桶里加令牌的速度就决定了数据通过接口的速度。我们通过控制往令牌桶里加令牌的速度从而控制接口的流量。令牌桶的实现原理如下图所示：

4.漏桶算法 VS 令牌桶算法

漏桶算法是按照常量固定速率流出请求的，流入请求速率任意，当流入的请求数累积到漏桶容量时，新流入的请求被拒绝。令牌桶算法是按照固定速率往桶中添加令牌的，请求是否被处理需要看桶中的令牌是否足够，当令牌数减为零时，拒绝新的请求。令牌桶算法允许突发请求，只要有令牌就可以处理，允许一定程度的突发流量。漏桶算法限制的是常量流出速率，从而使突发流入速率平滑。

比如服务器空闲时，理论上使用漏桶算法服务器可以直接处理一次洪峰（一次洪水过程的最大流量），但是漏桶算法处理请求的速率是恒定的，因此，前期服务器资源只能根据恒定的漏水速度逐步处理请求，无法直接处理这次洪峰。而使用令牌桶算法就不存在这个问题，因为它可以先把令牌桶一次性装满，处理一次洪峰之后再走限流。

总结

限流的常见算法有以下 3 种：

计数器算法：实现简单，但有突刺现象；
漏桶算法：固定速率处理请求，处理任意流量更加平滑，可以实现流量整形；
令牌桶算法：通过控制桶中的令牌实现限流，可以处理一定的突发流量，比如处理一次洪峰。

参考 & 鸣谢

《分布式微服务架构》

https://blog.csdn.net/chengqiuming/article/details/122385943

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