服务器雪崩的应对策略之----限流

Warren++2024-06-21 15:34

限流 是一种控制流量的技术，旨在防止系统在高并发请求下被压垮 。通过限流，可以确保系统在负载高峰期依然能保持稳定运行。常见的限流策略包括令牌桶算法、漏桶算法、计数器算法和滑动窗口算法。

常见的限流方法

  • [1. 令牌桶算法 (Token Bucket Algorithm)](#1. 令牌桶算法 (Token Bucket Algorithm))
  • [2. 漏桶算法 (Leaky Bucket Algorithm)](#2. 漏桶算法 (Leaky Bucket Algorithm))
  • [3. 计数器算法 (Counter Algorithm)](#3. 计数器算法 (Counter Algorithm))
  • [4. 滑动窗口算法 (Sliding Window Algorithm)](#4. 滑动窗口算法 (Sliding Window Algorithm))
  • 结论

1. 令牌桶算法 (Token Bucket Algorithm)

令牌桶算法是一种允许突发流量的限流算法。系统按照固定速率生成令牌，请求只有在获取到令牌后才能被处理。

原理：

  • 系统按照固定速率往桶中添加令牌。
  • 当桶满时，多余的令牌会被丢弃。
  • 每个请求需要从桶中获取一个令牌，若令牌数量不足，请求被拒绝或等待。

示例代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <mutex>

class TokenBucket 
{
public:
    TokenBucket(int rate, int burst) : rate(rate), burst(burst), tokens(0) 
    {
        last_refill = std::chrono::steady_clock::now();
    }

    bool allow_request() 
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
        refill();
        if (tokens > 0) 
        {
            tokens--;
            return true;
        }
        return false;
    }

private:
    void refill() 
    {
        auto now = std::chrono::steady_clock::now();
        auto duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::seconds>(now - last_refill).count();
        tokens = std::min(burst, tokens + duration * rate);
        last_refill = now;
    }

    int rate; // 令牌生成速率
    int burst; // 桶的容量
    int tokens; // 当前令牌数量
    std::chrono::steady_clock::time_point last_refill;
    std::mutex mutex;
};

int main() 
{
    TokenBucket bucket(5, 10); // 每秒生成5个令牌，桶容量为10个令牌

    for (int i = 0; i < 20; ++i) 
    {
        if (bucket.allow_request()) 
        {
            std::cout << "Request " << i << " is allowed\n";
        } 
        else 
        {
            std::cout << "Request " << i << " is denied\n";
        }
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
    }

    return 0;
}

2. 漏桶算法 (Leaky Bucket Algorithm)

漏桶算法是一种严格控制流量速率的限流算法。它将请求放入一个固定容量的桶中，并以固定速率处理请求，溢出的请求会被丢弃。

原理：

  • 请求以任意速率进入桶。
  • 桶以固定速率漏出请求进行处理。
  • 如果桶满了，后续请求会被丢弃。

示例代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <queue>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <chrono>

class LeakyBucket 
{
public:
    LeakyBucket(int rate, int capacity) : rate(rate), capacity(capacity), water(0) 
    {
        last_check = std::chrono::steady_clock::now();
    }

    bool allow_request() 
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
        leak();
        if (water < capacity) 
        {
            water++;
            return true;
        }
        return false;
    }

private:
    void leak() 
    {
        auto now = std::chrono::steady_clock::now();
        auto duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::seconds>(now - last_check).count();
        int leaked = duration * rate;
        if (leaked > 0) 
        {
            water = std::max(0, water - leaked);
            last_check = now;
        }
    }

    int rate; // 漏出速率
    int capacity; // 桶的容量
    int water; // 当前水量
    std::chrono::steady_clock::time_point last_check;
    std::mutex mutex;
};

int main() 
{
    LeakyBucket bucket(1, 10); // 每秒处理1个请求，桶容量为10个请求

    for (int i = 0; i < 20; ++i) 
    {
        if (bucket.allow_request()) 
        {
            std::cout << "Request " << i << " is allowed\n";
        } 
        else 
        {
            std::cout << "Request " << i << " is denied\n";
        }
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
    }

    return 0;
}

3. 计数器算法 (Counter Algorithm)

计数器算法是一种简单的限流策略，通过计数器在固定时间窗口内计数请求数量，如果超过限制，则拒绝请求。

原理：

  • 在固定时间窗口内计数请求数量。
  • 如果请求数量超过设定的阈值，则拒绝请求。
  • 时间窗口结束后，重置计数器。

示例代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <mutex>

class CounterRateLimiter 
{
public:
    CounterRateLimiter(int limit, int window_size) : limit(limit), window_size(window_size), count(0) 
    {
        window_start = std::chrono::steady_clock::now();
    }

    bool allow_request() 
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
        auto now = std::chrono::steady_clock::now();
        if (std::chrono::duration_cast<std::chrono::seconds>(now - window_start).count() >= window_size) 
        {
            window_start = now;
            count = 0;
        }
        if (count < limit) 
        {
            count++;
            return true;
        }
        return false;
    }

private:
    int limit; // 时间窗口内允许的最大请求数
    int window_size; // 时间窗口大小（秒）
    int count; // 当前请求数
    std::chrono::steady_clock::time_point window_start;
    std::mutex mutex;
};

int main() 
{
    CounterRateLimiter limiter(5, 1); // 每秒最多处理5个请求

    for (int i = 0; i < 20; ++i) 
    {
        if (limiter.allow_request()) 
        {
            std::cout << "Request " << i << " is allowed\n";
        } 
        else 
        {
            std::cout << "Request " << i << " is denied\n";
        }
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
    }

    return 0;
}

4. 滑动窗口算法 (Sliding Window Algorithm)

滑动窗口算法是计数器算法的改进版，通过滑动窗口精确统计请求数量，避免固定窗口带来的突发流量问题。

原理：

  • 将时间窗口划分为多个小的子窗口。
  • 记录每个子窗口的请求数量。
  • 滑动窗口通过移动时间窗口来更新请求数量。

示例代码：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <mutex>

class SlidingWindowRateLimiter 
{
public:
    SlidingWindowRateLimiter(int limit, int window_size, int bucket_count) 
        : limit(limit), window_size(window_size), bucket_count(bucket_count), buckets(bucket_count, 0), count(0) 
        {
        last_check = std::chrono::steady_clock::now();
    	}

    bool allow_request() 
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
        slide_window();
        if (count < limit) 
        {
            buckets[current_bucket]++;
            count++;
            return true;
        }
        return false;
    }

private:
    void slide_window() 
    {
        auto now = std::chrono::steady_clock::now();
        auto duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(now - last_check).count();
        int slide_count = duration * bucket_count / (window_size * 1000);
        if (slide_count > 0) 
        {
            for (int i = 0; i < slide_count && count > 0; ++i) 
            {
                current_bucket = (current_bucket + 1) % bucket_count;
                count -= buckets[current_bucket];
                buckets[current_bucket] = 0;
            }
            last_check = now;
        }
    }

    int limit; // 时间窗口内允许的最大请求数
    int window_size; // 时间窗口大小（秒）
    int bucket_count; // 子窗口数量
    std::vector<int> buckets; // 存储每个子窗口的请求数
    int count; // 当前请求总数
    int current_bucket = 0; // 当前子窗口索引
    std::chrono::steady_clock::time_point last_check;
    std::mutex mutex;
};

int main() 
{
    SlidingWindowRateLimiter limiter(5, 1, 10); // 每秒最多处理5个请求，划分为10个子窗口

    for (int i = 0; i < 20; ++i) 
    {
        if (limiter.allow_request()) 
        {
            std::cout << "Request " << i << " is allowed\n";
        } 
        else 
        {
            std::cout << "Request " << i << " is denied\n";
        }
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
    }

    return 0;
}

结论

限流方法可以有效地保护系统免受过载的影响，确保系统在高并发情况下仍能稳定运行。通过选择适合的限流策略，可以根据不同场景和需求实现精确的流量控制。

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