开源限流组件分析（二）：uber-go/ratelimit

亚洲第一中锋_哈达迪2024-10-22 13:46

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本系列

漏桶限流算法

漏桶限流算法思路很简单，水（数据或者请求）先进入到漏桶里，漏桶以一定的速度出水，当水流入速度过大会直接溢出，漏桶算法能强行限制请求的处理速度

相比于令牌桶中只要桶内还有剩余令牌，调用方就可以马上消费令牌的策略。漏桶相对来说更加严格，调用方只能按照预定的间隔顺序消费令牌

例如：假设漏桶出水的间隔是10ms，上次在0ms时刻出水，那么下次是10ms时刻，再下次是20ms时刻

uber的漏桶算法

uber对标准的漏桶算法做了一些优化，加了一些松弛量，这么做了后就能应对突发流量，达到和令牌桶一样的效果

关于什么是松弛量，在介绍获取令牌流程时再详细分析

阅读的源码：https://github.com/uber-go/ratelimit，版本：v0.3.1

使用

下面展示一个没有使用松弛量的漏桶使用示例：

go 复制代码 
func Example_default() {
	// 参数100：代表每秒放行100个请求，即每10ms放行一个请求
	rl := ratelimit.New(100)
  
	prev := time.Now()
	for i := 0; i < 10; i++ {
        // Take获取令牌，返回获取令牌成功的时间
		now := rl.Take()
		if i > 0 {
            // 打印每次放行间隔
			fmt.Println(i, now.Sub(prev))
		}
		prev = now
	}
}

打印结果：

1 10ms
2 10ms
3 10ms
4 10ms
5 10ms
6 10ms
7 10ms
8 10ms
9 10ms

可以看出每次放行间隔10ms，符合预期

uber的漏桶提供了mutex版本和atomic版本两种实现，主要区别在于怎么控制并发，以及怎么记录松弛量

mutex版本

数据结构

go 复制代码 
type mutexLimiter struct {
	sync.Mutex

	// 上次请求放行的时刻
	last time.Time

    // 桶中积累的松弛量
	sleepFor time.Duration

	// 每个请求之间的间隔
	perRequest time.Duration

    // 最大松弛量
	maxSlack   time.Duration
	clock      Clock
}

初始化桶：

go 复制代码 
func newMutexBased(rate int, opts ...Option) *mutexLimiter {
	config := buildConfig(opts)
	perRequest := config.per / time.Duration(rate)
	l := &mutexLimiter{
		perRequest: perRequest,

		// config.slack默认值=10， 例如当perRequest=10ms时
           // maxSlack就是 -10 * 100ms = -1s
		maxSlack: -1 * time.Duration(config.slack) * perRequest,
		clock:    config.clock,
	}
	return l
}

func buildConfig(opts []Option) config {
	c := config{
		clock: clock.New(),
           // 最大松弛量默认是perRequest的10倍
		slack: 10,
		per:   time.Second,
	}

	for _, opt := range opts {
		opt.apply(&c)
	}
	return c
}

主要设置两个变量：

  • 每次放行时间间隔perRequest：根据参数rate计算，rate表示每单位时间per能放行多少请求

    • 例如当per=1s，rate=100时，每次放行时间间隔perRequest=10ms

  • 最大松弛量maxSlack：config.slack默认值=10

    • 例如当perRequest=10ms时，maxSlack就是 -10 * 100ms = -1s

获取令牌

要实现标准的漏桶算法，其实比较简单：

记录上次放行时间last，当本次请求到来时, 如果此刻的时间与last相比并没有达到 perRequest 规定的间隔大小， sleep 一段时间即可

对应代码为（删除了松弛相关代码）：

go 复制代码 
func (t *mutexLimiter) Take() time.Time {
	t.Lock()
	defer t.Unlock()

	now := t.clock.Now()

	// 如果第一次请求，直接放行
	if t.last.IsZero() {
		t.last = now
		return t.last
	}

	// 当前时间距离上次放行时间的间隔，
	sleepFor := t.perRequest - now.Sub(t.last)

	// 如果比规定的间隔小，需要sleep
	if sleepFor > 0 {
		t.clock.Sleep(t.sleepFor)
		t.last = now.Add(t.sleepFor)
		t.sleepFor = 0

	return t.last
}

松弛量

如果不引入松弛量，按照标准漏桶算法的流程：

假设现在有三个请求，req1、req2 和 req3，获取令牌间隔perRequest规定为 10ms

  1. req1 先到来

  2. 当 req1 完成之后 20ms ，req2 才到来，此时距离上次放行有20ms，大于10ms，可以对req2 放行

  3. 当 req2 放行后5ms ， req3 到来，此时距离上次放行才5ms，不足 规定的间隔10ms，因此还需要等待 5ms 才能继续放行req3

这种策略有什么问题？无法应对任何突发流量，没有弹性，定死了相邻两次请求放行的间隔必须大于等于规定的值

于是引入了松弛量的概念：当较长时间（超过perRequest）没有请求到来时，会在桶中积累一些松弛量，这样接下来的请求可以先消耗松弛量，而不会被漏洞的获取令牌间隔限制。直到把松弛量耗尽为止

当然松弛量也不是无限积累，这样当很长时间没有请求后，就跟没有限流没区别了。因此桶中规定了最多积累多少松弛量maxSlack

加上松弛量后代获取令牌代码如下：

  1. 计算perRequest - now.Sub(t.last)

    1. 如果大于0，说明当前时间距离上次放行时间不足规定间隔，需要等待，或者需要消耗松弛量
    2. 如果小于0，说明当前时间距离上次放行时间超过了规定间隔，那么当前请求一定可以放行，并且可以在桶中积累一些松弛量，给下次请求使用
    3. 将结果累加到t.sleepFor

  2. 假设累加的松弛值超过了maxSlack，修正为maxSlack，默认为10倍的规定间隔

  3. 如果t.sleepFor > 0，说明本次请求应该等待的时间，在使用完桶中的松弛量后还不够，需要sleep这段时间，结束后将sleepFor置为0

  4. 否则t.sleepFor <= 0，说明桶中的存储松弛余量可以满足本次请求，本次请求放行

go 复制代码 
func (t *mutexLimiter) Take() time.Time {
	t.Lock()
	defer t.Unlock()

	now := t.clock.Now()

	// 如果第一次请求，直接放行
	if t.last.IsZero() {
		t.last = now
		return t.last
	}

	// 假设perRequest=10ms，now.Sub(t.last)=5ms，那么需要睡5ms
	// 假设perRequest=10ms，now.Sub(t.last)=15ms，说明距离上传请求的时间超过了漏桶的限流间隔10ms，那么sleepFor变为-5
	t.sleepFor += t.perRequest - now.Sub(t.last)


	// 默认最多松弛 10倍的perRequest
	// 如果累加的松弛值超过了maxSlack，修正为maxSlack
	if t.sleepFor < t.maxSlack {
		t.sleepFor = t.maxSlack
	}

	// 需要sleep
	if t.sleepFor > 0 {
		t.clock.Sleep(t.sleepFor)
		t.last = now.Add(t.sleepFor)
		t.sleepFor = 0
	// 如果sleepFor <= 0，说明还有存储的松弛余量，可以放行
	} else {
		t.last = now
	}

	return t.last
}

atomic版本

数据结构

go 复制代码 
type atomicInt64Limiter struct {
	// 上次在哪个时刻发放许可
	state      int64
    // 每次请求间隔
	perRequest time.Duration
    // 最大松弛量
	maxSlack   time.Duration
	clock      Clock
}

func newAtomicInt64Based(rate int, opts ...Option) *atomicInt64Limiter {
	
	config := buildConfig(opts)
	perRequest := config.per / time.Duration(rate)
	l := &atomicInt64Limiter{
		perRequest: perRequest,
		// 最大松弛量：10倍的perRequest
		maxSlack: time.Duration(config.slack) * perRequest,
		clock:    config.clock,
	}
	atomic.StoreInt64(&l.state, 0)
	return l
}

获取令牌

atomic版本的漏桶不是用一个变量存储桶中的松弛量，而是记录了上次在哪个时刻发放许可timeOfNextPermissionIssue，那松弛量用什么表示呢？当前时间now减去上次发放许可时间timeOfNextPermissionIssue就代表松弛量

怎么理解？这个值代表应该在什么时刻发放令牌：

  • 如果该值 比now大，说明需要sleep一段时间等待时间流逝，本次才能获取到令牌
  • 如果该值 比now小，说明应该在更早的时间就可以获取令牌，本次请求不需要等待

每次请求时会在timeOfNextPermissionIssue的基础上加上perRequest，并更新timeOfNextPermissionIssue，表示本次发放许可的时间比上次前进了perRequest时间

如果较长时间没有请求，那天然就积累了一些松弛量 ，因为上次发放许可时间就会比较小，即便加上本次的消耗perRequest也没有now大，就可以直接放行

  • 如果上次发放许可时间，加上固定间隔perRequest小于now，说明本次可以放行，并更新上次发放许可时间 += perRequest

    • 当然timeOfNextPermissionIssue不能比now小太多，否则限流就没意义了。因此规定该值最多比now小10倍的perRequest，表示松弛量最多为perRequest的10倍

  • 否则不能放行，需要等待时间流逝到timeOfNextPermissionIssue + perRequest为止

go 复制代码 
func (t *atomicInt64Limiter) Take() time.Time {
	var (
		newTimeOfNextPermissionIssue int64
		now                          int64
	)
	for {
		now = t.clock.Now().UnixNano()

		// 上次在哪个时刻发放许可
		timeOfNextPermissionIssue := atomic.LoadInt64(&t.state)

		switch {
		// 第一次请求，或者不是第一次请求，且（没有松弛量，且now 比 上次发放许可时间 多了超过perRequest ）
		case timeOfNextPermissionIssue == 0 || (t.maxSlack == 0 && now-timeOfNextPermissionIssue > int64(t.perRequest)):
			// 本次放行，本次在now时刻发放许可
			newTimeOfNextPermissionIssue = now
		// 可以有松弛量，且 当前时间 - 上次发放许可时间 > 11倍perRequest
		case t.maxSlack > 0 && now-timeOfNextPermissionIssue > int64(t.maxSlack)+int64(t.perRequest):
			// 本次在 now - 最大松弛量 时刻发放许可
			newTimeOfNextPermissionIssue = now - int64(t.maxSlack)
		/**
		1.没有松弛量，且当前时间距离 上次发放许可时间 超过了 不到perRequest，本次应该在上次发放许可时间 + perRequest 再发放
		2.有松弛量，且 当前时间 - 上次发放许可时间 <= 11倍perRequest，那本次应该在上次发放许可时间 + perRequest 再发放
		*/
		default:
			// 更新上次发放许可时间，+= perRequest
			newTimeOfNextPermissionIssue = timeOfNextPermissionIssue + int64(t.perRequest)
		}

		if atomic.CompareAndSwapInt64(&t.state, timeOfNextPermissionIssue, newTimeOfNextPermissionIssue) {
			break
		}
	}

  
	sleepDuration := time.Duration(newTimeOfNextPermissionIssue - now)
	// 没有余量了，需要sleep
    if sleepDuration > 0 {
		t.clock.Sleep(sleepDuration)
		// 返回放行时的时间
		return time.Unix(0, newTimeOfNextPermissionIssue)
	}
	return time.Unix(0, now)
}

测试漏桶的松弛量

下面对漏桶的松弛量进行测试：如果先积累一些松弛量，就会起到因对突发流量的效果，例如让时间先走45ms

go 复制代码 
func Example_default() {
	// 每10ms放行一个请求, 最大松弛量=100ms
	rl := ratelimit.New(100)

	// 在0ms发放许可
	rl.Take()
	// 此时时间来到45ms
	time.Sleep(time.Millisecond * 45)

	prev := time.Now()
	
	for i := 0; i < 10; i++ {
		now := rl.Take()
		if i > 0 {
			fmt.Println(i, now.Sub(prev))
		}
		prev = now
	}
}

打印结果：

1 1µs
2 103µs
3 4µs
4 4.79ms
5 10ms
6 10ms
7 10ms
8 10ms
9 10ms

可以看出：前4次都没等，直接获取到令牌，第4次等了大约5ms，之后每次放行间隔都是10ms

执行到for循环时，上次发放许可时间10ms，当前时刻45ms

拆解for循环中的每次take中的漏桶状态：

  1. i=0, 下次应该在10ms发放许可，当前时刻45ms，放行
  2. i=1, 下次应该在20ms发放许可，当前时刻45ms，放行
  3. i=2, 下次应该在30ms发放许可，当前时刻45ms，放行
  4. i=3, 下次应该在40ms发放许可，当前时刻45ms，放行
  5. i=4, 下次应该在50ms发放许可，当前时刻45ms，更新timeOfNextPermissionIssue=50，需要sleep 5ms
  6. i=5, 下次应该在60ms发放许可，当前50ms，需要sleep10ms，更新timeOfNextPermissionIssue=60

如下图所示：

总结

加上松弛量后，这个漏桶和标准的令牌桶区别就不大了：

  • 都能应对一定的突发流量
  • 当桶中没有松弛量（没有令牌时），都按照固定时间间隔放行请求

这个库有个问题是：对桶中等待中的请求数没有限制，这样当并发量非常大时，会导致请求一直在桶中堆积

因此工程中要使用的话，最好对源码进行改造：当等待中的请求数超过阈值就快速返回失败

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