常见服务限流方法

changwan2024-07-31 15:38

一、令牌桶算法（Token Bucket）

原理其实很简单，就是设置同一时刻服务器能处理请求的最大数量，如果超过这个数据，则需要等待，或者不处理请求。相当于设置最大并发量，但是细节是，还设置了生成令牌的速率，可以避免后面的请求失败。保证长期请求。具体流程为：

  1. 设置桶的大小，默认是满桶，再设置生成令牌的时间。
  2. 生成的令牌如果在满桶的情况下会溢出
  3. 请求时必须先获取一个令牌，获取后在才可以进行数据请求，会消耗一个桶中的令牌
  4. 如果获取不到令牌则会请求失败，或者等待。
python 复制代码 
#TokenBucket.py
import time

class TokenBucket:
    def __init__(self, rate, capacity):
        self.rate = rate  
        self.capacity = capacity  
        self.tokens = capacity 
        self.last_time = time.time()  

    def get_token(self)-> bool:
        now = time.time()
        elapsed = int(now - self.last_time)
        self.last_time = now
        self.tokens += elapsed * self.rate
        if self.tokens > self.capacity:
            self.tokens = self.capacity

        if self.tokens >= 1:
            self.tokens -= 1
            return True
        else:
            return False
python 复制代码 
import tornado.ioloop
import tornado.web
from TokenBucket import TokenBucket

class MainHandler(tornado.web.RequestHandler):
    def initialize(self, bucket):
        self.bucket : TokenBucket = bucket    
    async def get(self):
        if self.bucket.get_token():
            self.write("请求成功")
        else:
            self.set_status(429)
            self.write("请求被拒绝：太多请求")

def make_app():
    bucket = TokenBucket(rate=1, capacity=5)

    return tornado.web.Application([
        (r"/", MainHandler,dict(bucket=bucket)),
    ],debug=True)

if __name__ == "__main__":
    app = make_app()
    app.listen(8888)
    print("请求地址为 http://localhost:8888")
    tornado.ioloop.IOLoop.current().start()

这里将桶的大小设置为5，速率为一秒钟生成一个令牌，没有令牌就会请求失败，这样可以很好的限制统同一时刻的并发量问题，并且也不会影响后续的请求，因为令牌是不断生成的。

二、漏桶算法（Leaky Bucket）

严格控制请求处理速率，适合需要稳定流量控制的场景。非常类似于令牌桶算法，也是设置一个漏桶的大小，以及流速。将请求比做水滴，每次请求都会进桶，根据流速流出，相当于这个请求完毕。如果桶满的话，需要等待或者不处理。相比于令牌桶的话，请求更加稳定，因为设置的速率，确保系统能够平稳处理流量。例如令牌桶可能会出现一下高并发请求、一下无请求。而漏桶算法就不会，因为速率是恒定的。

  1. 设置桶的大小以及速率
  2. 桶满的情况会溢出，等待或者丢弃
  3. 漏桶会以固定速率处理请求
  4. 直到所有请求完毕
python 复制代码 
#LeakyBucket.py
import time

class LeakyBucket:
    def __init__(self, capacity, leak_rate):
        self.capacity = capacity 
        self.leak_rate = leak_rate  
        self.tokens = 0  
        self.last_check = time.time() 

    def can_process(self)-> bool:
        current_time = time.time()
        elapsed_time = current_time - self.last_check
        self.last_check = current_time

        processed_tokens = elapsed_time * self.leak_rate
        self.tokens = max(0, self.tokens - processed_tokens)

        if self.tokens < self.capacity:
            self.tokens += 1
            return True
        else:
            return False
python 复制代码 
import tornado from LeakyBucket import LeakyBucket

class MainHandler(tornado.web.RequestHandler):     
    def initialize(self, bucket):         
        self.bucket : LeakyBucket  = bucket     
        
    async def get(self):         
        if self.bucket.can_process():             
            self.write("请求成功")         
        else:             
            self.set_status(429)             
            self.write("请求失败")         
        self.finish()  
def make_app():     
    bucket = LeakyBucket(capacity=5, leak_rate=1)     
    return tornado.web.Application([         
        (r"/", MainHandler, dict(bucket=bucket)),     
    ],debug = True)  
if __name__ == "__main__":    
app = make_app()     
app.listen(8888)     
print("服务器启动：地址为 http://127.0.0.1:8888")     tornado.ioloop.IOLoop.current().start()

三、对比

为了更好的突出令牌桶算法和漏桶算法的区别，这里使用python写一段脚本进行测试

python 复制代码 
import requests

for i in range(11):
    response = requests.get("http://localhost:8888")
    print(response.status_code, response.text)

令牌桶算法

漏桶算法

这样就可以很直观的感受变化。桶令牌算法可能会出现很大的波动，而漏桶算法在解决大量请求时，处理的方式就特别稳定。具体的速率需要根据实际情况。

四、固定窗口计数器（Fixed Window Counter）

简单来说就是在指定时间的内可以允许的请求数量，也就是将这个时间段比作窗口。这个窗口在一定时间内只能处理指定的请求数据，超过的请求等待或者不处理。通过不断重置起始时间来保证窗口。

  1. 设置窗口大小以及最大请求数量
  2. 请求时检查时间是否超过，再检查请求数量是否超过
  3. 超过则拒绝请求。
python 复制代码 
#FixedWindowCounter.py
import time

class FixedWindowCounter:
    def __init__(self, limit, window_size):
        self.limit = limit 
        self.window_size = window_size
        self.request_count = 0 
        self.window_start = time.time()

    def can_process(self) -> bool:
        current_time = time.time()
        if current_time - self.window_start >= self.window_size:
            self.window_start = current_time
            self.request_count = 0
            
        if self.request_count < self.limit:
            self.request_count += 1
            return True
        else:
            return False
python 复制代码 
import tornado
from FixedWindowCounter import FixedWindowCounter

class MainHandler(tornado.web.RequestHandler):
    def initialize(self, counter):
        self.counter : FixedWindow = counter

    async def get(self):
        if self.counter.can_process():
            self.write("请求成功")
        else:
            self.set_status(429)  
            self.write("请求被拒绝")

def make_app():
    counter = FixedWindowCounter(limit=100, window_size=60)  
    return tornado.web.Application([
        (r"/", MainHandler, dict(counter=counter)),
    ], debug=True)

if __name__ == "__main__":
    app = make_app()
    server = tornado.httpserver.HTTPServer(app)
    server.listen(8888)
    print("服务器正在监听端口 http://localhost:8888")
    tornado.ioloop.IOLoop.current().start()

这里将窗口的的大小设置为一分钟，最多允许100次请求。一分钟内超过的请求不处理。这样的劣势是太过集中，并且存在边界问题，也就是在窗口马上结束，下一个窗口马上开始时突然大量请求。

五、滑动窗口计数器（Sliding Window Counter）

相比于固定窗口计数器多了一步清除旧的请求。在每次请求时会清除旧的请求。通过动态调整窗口的起点和终点，确保在任意连续时间段内最多处理设定的请求数。当一个新请求到达时，滑动窗口会移除当前窗口外的过期请求，然后检查当前窗口内的请求数是否超过限制。更精确地控制请求流量，减少边界突发流量问题。

  1. 设置窗口大小以及最大请求量
  2. 检查请求，过滤掉当前时间窗口外的过期请求
  3. 判断窗口容量，添加请求的时间戳
  4. 否则不予请求
python 复制代码 
#SlidingWindowCounter.py
import time

class SlidingWindowCounter:
    def __init__(self, limit, window_size):
        self.limit = limit  
        self.window_size = window_size  
        self.requests = [] 

    def can_process(self) -> bool:
        current_time = time.time()
        self.requests = [req 
                            for req in self.requests 
                            if req > current_time - self.window_size]
        if len(self.requests) < self.limit:
            self.requests.append(current_time)
            print("请求成功")
            return True
        else:
            return False
python 复制代码 
import tornado
from SlidingWindowCounter import SlidingWindowCounter

class MainHandler(tornado.web.RequestHandler):
    def initialize(self, counter):
        self.counter : SlidingWindowCounter = counter

    async def get(self):
        if self.counter.can_process():
            self.write("请求成功")
        else:
            self.set_status(429)  
            self.write("请求被拒绝")

def make_app():
    counter = SlidingWindowCounter(limit=10, window_size=10)  
    return tornado.web.Application([
        (r"/", MainHandler, dict(counter=counter)),
    ], debug=True)

if __name__ == "__main__":
    app = make_app()
    server = tornado.httpserver.HTTPServer(app)
    server.listen(8888)
    print("服务器正在监听端口 http://localhost:8888")
    tornado.ioloop.IOLoop.current().start()

六、请求队列（Request Queue）

依赖于队列的先进先出的性质，将请求放入队列中，按顺序处理，超出的请求拒绝或者丢弃。达到限流的目的。

python 复制代码 
#FixedWindowQueueCounter.py
from collections import deque

class FixedWindowQueueCounter:
    def __init__(self, limit):
        self.limit = limit
        self.queue = deque()  

    def can_process(self) -> bool:
        if len(self.queue) < self.limit:
            self.queue.append(1) 
            return True
        else:
            return False

    def process_request(self):
        if self.queue:
            self.queue.popleft()
python 复制代码 
import tornado

from FixedWindowQueueCounter import FixedWindowQueueCounter

class MainHandler(tornado.web.RequestHandler):
    def initialize(self, counter):
        self.counter: FixedWindowQueueCounter = counter

    async def get(self):
        if self.counter.can_process():
            self.write("请求成功")
            self.counter.process_request()
        else:
            self.set_status(429)  
            self.write("请求被拒绝")

def make_app():
    counter = FixedWindowQueueCounter(limit=10) 
    return tornado.web.Application([
        (r"/", MainHandler, dict(counter=counter)),
    ], debug=True)

if __name__ == "__main__":
    app = make_app()
    server = tornado.httpserver.HTTPServer(app)
    server.listen(8888)
    print("服务器正在监听端口 http://localhost:8888")
    tornado.ioloop.IOLoop.current().start()
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