【Go】-限流器的四种实现方法

关于限流和限流器

固定窗口限流器

滑动窗口限流器

漏桶限流器

令牌桶限流器

总结

关于限流和限流器

限流（Rate Limiting）是一种控制资源使用率的机制，通常用于防止系统过载和滥用。

限流器（Rate Limiter）是一种实现限流的组件或服务。以下是限流器的一些主要用途和原因：

防止系统过载：在高流量的情况下，如网络服务或API，限流可以确保系统不会因为过多的并发请求而崩溃。通过限制每个用户或客户端的请求频率，系统可以维持稳定的性能。
资源分配：在多用户环境中，限流可以确保所有用户都公平地使用资源，防止某些用户占用过多资源而影响其他用户。
成本控制：对于云服务和API提供商来说，限流可以帮助控制成本。通过限制免费层级用户的使用量，可以鼓励用户升级到付费服务。
提高用户体验：如果一个服务因为过载而变得缓慢或不可用，限流可以提高用户体验，因为它可以保证服务在高负载下的响应速度。
防止滥用：限流可以防止恶意用户或自动化脚本滥用服务，例如防止暴力破解密码或发送垃圾邮件。
服务降级：在某些情况下，系统可能会故意降低服务质量，以保护关键功能的正常运行。限流是实现服务降级的一种方式。
合规性：某些行业法规可能要求服务提供商限制数据传输速率，以符合隐私和安全标准。
缓存友好：限流可以减少对缓存系统的冲击，因为缓存系统可能无法处理非常高的请求率。

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固定窗口限流器

这种限流器一时间为周期，用一个计数器配合定时器，限制周期内访问的次数。

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type FixedWindowRateLimiter struct {
     windowSize time.Duration
     limit      uint64
     counter    uint64
     ticker     *time.Ticker
     stop       chan struct{}
     status     bool
 }
 
 func NewFixedWindowRateLimiter(windowSize time.Duration, limit uint64) *FixedWindowRateLimiter {
     now := uint64(time.Now().UnixNano())
     return &FixedWindowRateLimiter{
        windowSize: windowSize,
        limit:      limit,
        start:      now,
        stop:       make(chan struct{}),
        status:     false,
     }
 }

windowSize限流器周期
limit最大访问次数限制
counter计数器
ticker计时器
stop关闭信号管道
status限流器状态

启动和关闭：

Start启动定时器用go协程处理周期更新和收到关闭信号，Close向关闭信号管道发送关闭信号。

 func (fwrl *FixedWindowRateLimiter) Start() {
     fwrl.ticker = time.NewTicker(fwrl.windowSize)
     fwrl.status = true
     go func() {
         for {
             select {
             case <-fwrl.ticker.C:
                 atomic.StoreUint64(&fwrl.counter, 0)
             case <-fwrl.stop:
                 fwrl.ticker.Stop()
                 fwrl.status = false
                 return
             }
         }
     }()
 }
 
 func (fwrl *FixedWindowRateLimiter) Close() {
     close(fwrl.stop)
 }

实现的方法：

 // 请求一次访问
 func (fwrl *FixedWindowRateLimiter) Do() bool {
     if !fwrl.status {
         return false
     }
     currentCounter := atomic.LoadUint64(&fwrl.counter)
     if currentCounter >= fwrl.limit {
         return false
     }
     atomic.AddUint64(&fwrl.counter, 1)
     return true
 }
 
 // 剩余可访问次数
 func (fwrl *FixedWindowRateLimiter) Check() uint64 {
     if !fwrl.status {
         return 0
     }
     return fwrl.limit - atomic.LoadUint64(&fwrl.counter)
 }
 
 // 更新并重启限流器
 func (fwrl *FixedWindowRateLimiter) Update(windowSize time.Duration, limit uint64) {
     fwrl.windowSize = windowSize
     fwrl.limit = limit
     if fwrl.status {
         fwrl.ticker.Stop()
         fwrl.Start()
     }
 }

关于原子操作：

在代码中使用了atomic包的原子操作，目的是为了保证高并发读写下限流器的数据准确性。atomic包的实现在sre/internal/runtime/atomic，本质上使用汇编语言保证了操作的原子性。

例如swapUint64函数中，调用.Xchg64的代码如下：

TEXT ·Xchg64(SB), NOSPLIT, $0-24
     MOVD    ptr+0(FP), R0
     MOVD    new+8(FP), R1
 #ifndef GOARM64_LSE
     MOVBU   internal∕cpu·ARM64+const_offsetARM64HasATOMICS(SB), R4
     CBZ     R4, load_store_loop
 #endif
     SWPALD  R1, (R0), R2
     MOVD    R2, ret+16(FP)
     RET
 #ifndef GOARM64_LSE
 load_store_loop:
     LDAXR   (R0), R2
     STLXR   R1, (R0), R3
     CBNZ    R3, load_store_loop
     MOVD    R2, ret+16(FP)
     RET
 #endif

计数器限流的严重问题： 这个算法虽然简单，但是有一个十分致命的问题，那就是临界问题，我们看下图：

从上图中我们可以看到，假设有一个恶意用户，他在0:59时，瞬间发送了100个请求，并且1:00又瞬间发送了100个请求，那么其实这个用户在 1秒里面，瞬间发送了200个请求。

我们刚才规定的是1分钟最多100个请求（规划的吞吐量），也就是每秒钟最多1.7个请求，用户通过在时间窗口的重置节点处突发请求，可以瞬间超过我们的速率限制。

用户有可能通过算法的这个漏洞，瞬间压垮我们的应用。

滑动窗口限流器

跟固定窗口限流器差不多，只不过粒度更小了。

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 type SlidingWindowRateLimiter struct {
     windowSize time.Duration
     subWindow  time.Duration
     limit      uint64
     counters   []uint64
     start      uint64
     ticker     *time.Ticker
     subticker  *time.Ticker
     stop       chan struct{}
     status     bool
 }
 
 func NewSlidingWindowRateLimiter(windowSize, subWindow time.Duration, limit uint64) (*SlidingWindowRateLimiter, error) {
     if windowSize <= subWindow {
         return nil, errors.New("wrong size")
     }
     numSubWindows := int(windowSize / subWindow)
     return &SlidingWindowRateLimiter{
         windowSize: windowSize,
         subWindow:  subWindow,
         limit:      limit,
         counters:   make([]uint64, numSubWindows),
         start:      uint64(time.Now().UnixNano()),
         stop:       make(chan struct{}),
     }, nil
 }

windowSize限流器周期
subWindow滑动窗口周期
limit最大访问次数限制
counters滑动窗口计数器切片
start周期开启时间
ticker周期计时器
subticker窗口计时器
stop关闭信号管道
status限流器状态

启动和关闭：

滑窗是小粒度的固定窗口，计算index并且重置计数

 func (swrl *SlidingWindowRateLimiter) Start() {
     swrl.ticker = time.NewTicker(swrl.windowSize)
     swrl.subticker = time.NewTicker(swrl.subWindow)
     swrl.status = true
     go func() {
         for {
             select {
             case <-swrl.subticker.C:
                 now := uint64(time.Now().UnixNano())
                 index := int((now - swrl.start) / uint64(swrl.subWindow))
                 atomic.StoreUint64(&swrl.counters[index%len(swrl.counters)], 0)
             case <-swrl.ticker.C:
                 swrl.start = uint64(time.Now().UnixNano())
             case <-swrl.stop:
                 swrl.ticker.Stop()
                 swrl.status = false
                 return
             }
         }
     }()
 }
 
 func (swrl *SlidingWindowRateLimiter) Close() {
     close(swrl.stop)
 }

其他方法：

这里Do和Check都是要计算周期内每个滑窗总和

func (swrl *SlidingWindowRateLimiter) Do() bool {
     if !fwrl.status {
         return false
     }
     now := uint64(time.Now().UnixNano())
     startIndex := int((now - swrl.start) / uint64(swrl.subWindow))
     endIndex := int((now - swrl.start + uint64(swrl.windowSize)) / uint64(swrl.subWindow))
     // 计算周期内每个滑窗总和是否大于limit
     sum := uint64(0)
     for i := startIndex; i <= endIndex; i++ {
         index := i
         if index >= len(swrl.counters) {
             index -= len(swrl.counters)
         }
         sum += atomic.LoadUint64(&swrl.counters[index])
     }
     if sum >= swrl.limit {
         return false
     }
     // 增加当前子窗口的计数
     currentIndex := int((now - swrl.start) / uint64(swrl.subWindow))
     atomic.AddUint64(&swrl.counters[currentIndex], 1)
     return true
 }
 
 
 func (swrl *SlidingWindowRateLimiter) Check() uint64 {
     if !fwrl.status {
         return 0
     }
     now := uint64(time.Now().UnixNano())
     startIndex := int((now - swrl.start) / uint64(swrl.subWindow))
     endIndex := int((now - swrl.start + uint64(swrl.windowSize)) / uint64(swrl.subWindow))
     sum := uint64(0)
     for i := startIndex; i <= endIndex; i++ {
         index := i
         if index >= len(swrl.counters) {
             index -= len(swrl.counters)
         }
         sum += atomic.LoadUint64(&swrl.counters[index])
     }
     return swrl.limit - sum
 }
 
 func (swrl *SlidingWindowRateLimiter) Update(windowSize time.Duration, subWindow time.Duration, limit uint64) {
     swrl.windowSize = windowSize
     swrl.limit = limit
     swrl.subWindow = subWindow
     if swrl.status {
         swrl.ticker.Stop()
         numSubWindows := int(windowSize / swrl.subWindow)
         swrl.counters = make([]uint64, numSubWindows)
         swrl.Start()
     }
 }

漏桶限流器

漏桶，可以想象成一个木桶下面钻了一个小孔，把水倒进来就是请求访问，水漏出去就是允许请求。

理论上小孔流出水的速率是不变的，也就是允许请求的速率是不变的，这就是漏桶的特点，你可以随便倒水，但是流出水速率恒定，实现按了平稳的访问速率。

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 type LeakyBucket struct {
     capacity  uint
     remaining uint
     ticker    *time.Ticker
     reset     time.Time
     rate      time.Duration
     mutex     sync.Mutex
     stop       chan struct{}
     status    bool
 }
 
 func NewLeakyBucket(capacity uint, rate time.Duration) (*LeakyBucket, error) {
     return &LeakyBucket{
         capacity:   capacity,
         remaining:  capacity,
         rate:       rate,
         status:     false,
     }
 }

capacity桶的容量
remaining剩余的容量
ticker计时器
reset重置的时间
rate漏桶的速率
mutes互斥锁
stop关闭信号管道
status桶的状态

启动和关闭：

 func (lb *LeakyBucket) Start() {
     lb.ticker = time.NewTicker(swrl.rate)
     lb.status = true
     lb.reset = time.Now().Add(rate)
     go func() {
         for {
             select {
             case <-lb.ticker.C:
                 lb.mutex.lock()
                 if lb.remaining < lb.capacity {
                     lb.remaining += 1
                 }
                 lb.mutex.unlock()
             case <-lb.stop:
                 lb.ticker.Stop()
                 lb.status = false
                 return
             }
         }
     }()
 }
 
 func (lb *LeakyBucket) Close() {
     close(lb.stop)
 }

其他方法：

// 返回容量
 func (lb *LeakyBucket) Capacity() uint {
     return lb.capacity
 }
 
 // 桶里剩余容量
 func (lb *LeakyBucket) Remaining() uint {
     return lb.remaining
 }
 
 // 重置桶
 func (lb *LeakyBucket) Reset() time.Time {
     lb.remaining = lb.capacity
     // 更新reset时间为一个rate后，这样就不用加锁了
     lb.reset = time.Now().Add(rate)
     return lb.reset
 }
 
 // 往桶里加请求
 func (lb *LeakyBucket) Add(amount uint) (bool, error) {
     lb.mutex.Lock()
     defer lb.mutex.Unlock()
     // 时间在重置前那就重置后再取
     if time.Now().After(lb.reset) {
         lb.reset = time.Now().Add(lb.rate)
         lb.remaining = lb.capacity
     }
     if amount > lb.remaining {
         return false, errors.New("too many")
     }
     lb.remaining -= amount
     return true, nil
 }

漏桶的问题：

漏桶的出水速度固定，也就是请求放行速度是固定的，因此漏桶不能有效应对突发流量，但是能起到平滑突发流量（整流）的作用。

漏桶出口的速度固定，不能灵活的应对后端能力提升，比如，通过动态扩容，后端流量从1000QPS提升到1WQPS，漏桶没有办法。

令牌桶限流器

令牌桶算法以一个设定的速率产生令牌并放入令牌桶，每次用户请求都得申请令牌，如果令牌不足，则拒绝请求。令牌桶算法中新请求到来时会从桶里拿走一个令牌，如果桶内没有令牌可拿，就拒绝服务。当然，令牌的数量也是有上限的。令牌的数量与时间和发放速率强相关，时间流逝的时间越长，会不断往桶里加入越多的令牌，如果令牌发放的速度比申请速度快，令牌桶会放满令牌，直到令牌占满整个令牌桶。

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type TookenBucket struct {
     capacity  uint
     tooken    uint
     ticker    *time.Ticker
     reset     time.Time
     rate      time.Duration
     mutex     sync.Mutex
     stop       chan struct{}
     status    bool
 }
 
 func NewTookenBucket(capacity uint, rate time.Duration) (*TookenBucket, error) {
     return &TookenBucket{
         capacity:   capacity,
         tooken:     0,
         rate:       rate,
         status:     false,
     }
 }

capacity桶的容量
tooken剩余的tooken
ticker计时器
reset重置的时间
rate漏桶的速率
mutes互斥锁
stop关闭信号管道
status桶的状态

启动和关闭：

 func (lb *TookenBucket) Start() {
     tb.ticker = time.NewTicker(swrl.rate)
     tb.status = true
     tb.reset = time.Now().Add(rate)
     go func() {
         for {
             select {
             case <-tb.ticker.C:
                 tb.mutex.lock()
                 if tb.tooken < lb.capacity {
                     tb.tooken += 1
                 }
                 tb.mutex.unlock()
             case <-tb.stop:
                 tb.ticker.Stop()
                 tb.status = false
                 return
             }
         }
     }()
 }
 
 func (tb *TookenBucket) Close() {
     close(tb.stop)
 }

其他方法：

 // 返回容量
 func (tb *TookenBucket) Capacity() uint {
     return tb.capacity
 }
 
 // 桶里tooken
 func (tb *TookenBucket) Cheak() uint {
     return tb.tooken
 }
 
 // 重置桶
 func (tb *TookenBucket) Reset() time.Time {
     tb.tooken = 0
     // 更新reset时间为一个rate后，这样就不用加锁了
     tb.reset = time.Now().Add(rate)
     return tb.reset
 }
 
 // 往桶里取令牌
 func (tb *TookenBucket) Took(amount uint) (bool, error) {
     tb.mutex.Lock()
     defer tb.mutex.Unlock()
     // 时间在重置前那就重置后再取
     if time.Now().After(tb.reset) {
         tb.reset = time.Now().Add(tb.rate)
         tb.token = 0
         return false, nil
     }
     if amount > tb.tooken {
         return false, errors.New("too many")
     }
     tb.tooken -= amount
     return true, nil
 }