微服务怎么限流？算法＋框架＋实战！

Posted 2021-11-08 Java技术栈

作者：lipengxs
来源：https://my.oschina.net/lipengxs/blog/4733443

背景

随着微服务的流行，服务和服务之间的稳定性变得越来越重要。缓存、降级和限流是保护微服务系统运行稳定性的三大利器。

• 缓存：提升系统访问速度和增大系统能处理的容量
• 降级：当服务出问题或者影响到核心流程的性能则需要暂时屏蔽掉
• 限流：解决服务雪崩，级联服务发生阻塞时，及时熔断，防止请求堆积消耗占用系统的线程、IO等资源，造成其他级联服务所在服务器的崩溃

这里我们主要说一下限流，限流的目的应当是通过对并发访问/请求进行限速或者一个时间窗口内的的请求进行限速来保护系统，一旦达到限制速率就可以拒绝服务、等待、降级。 首先，我们需要去了解最基本的两种限流算法。

限流算法

• 漏桶算法
• 令牌桶算法
• 计算器算法

限流框架

下面说一下现有流行的限流工具

guava

Google的Guava工具包中就提供了一个限流工具类——RateLimiter。

RateLimiter是基于“令牌通算法”来实现限流的。

hystrix

hystrix主要是通过资源池以及信号量来限流，暂时能支持简单的限流

sentinel

限流比较主流的三种算法：漏桶，令牌桶，滑动窗口。而Sentinel采用的是最后一种，滑动窗口来实现限流的。当然sentinel不仅仅局限于限流，它是一个面向分布式服务架构的高可用流量防护组件，主要以流量为切入点，从限流、流量整形、熔断降级、系统负载保护、热点防护等多个维度来帮助开发者保障微服务的稳定性。

限流实战

有很多应用都是可以直接在调用端、代理、网关等中间层进行限流，下面简单介绍下集中中间件限流方式

nginx限流

nginx限流方式有三种

• limit_conn_zone
• limit_req_zone
• ngx_http_upstream_module

但是nginx限流不够灵活，不好动态配置。

zuul限流

除了zuul引入限流相关依赖

<dependency>
     <groupid>com.marcosbarbero.cloud</groupid>
     <artifactid>spring-cloud-zuul-ratelimit</artifactid>
     <version>2.0.0.RELEASE</version>
</dependency>

相关配置如下：

zuul:

    ratelimit:

        key-prefix: your-prefix  #对应用来标识请求的key的前缀

        enabled: true

        repository: REDIS  #对应存储类型（用来存储统计信息）默认是IN_MEMORY

        behind-proxy: true  #代理之后

        default-policy: #可选 - 针对所有的路由配置的策略，除非特别配置了policies

             limit: 10 #可选 - 每个刷新时间窗口对应的请求数量限制

             quota: 1000 #可选-  每个刷新时间窗口对应的请求时间限制（秒）

              refresh-interval: 60 # 刷新时间窗口的时间，默认值 (秒)

               type: #可选 限流方式

                    - user

                    - origin

                    - url

          policies:

                myServiceId: #特定的路由

                      limit: 10 #可选- 每个刷新时间窗口对应的请求数量限制

                      quota: 1000 #可选-  每个刷新时间窗口对应的请求时间限制（秒）

                      refresh-interval: 60 # 刷新时间窗口的时间，默认值 (秒)

                      type: #可选 限流方式

                          - user

                          - origin

                          - url

注意这里的仓库如果是针对全局限流，那么可以考虑存到redis中，这里的zuul.ratelimit.repository可以设置为redis，但是如果扩容后则需要动态调整，不过灵活，所以这里我建议还是选择本地内存（INM_MOMERY）或者不设置，这样伸缩容后可以自动扩展，不用变更配置,

如果需要动态更新，可以集成apollo配置进行动态更新，

public class ZuulPropertiesRefresher implements ApplicationContextAware {


    private ApplicationContext applicationContext;

    @Autowired
    private RouteLocator routeLocator;

    @ApolloConfigChangeListener(interestedKeyPrefixes = "zuul.",value="zuul.yml")
    public void onChange(ConfigChangeEvent changeEvent) {
        refreshZuulProperties(changeEvent);
    }

    private void refreshZuulProperties(ConfigChangeEvent changeEvent) {
        log.info("Refreshing zuul properties!");

        /**
         * rebind configuration beans, e.g. ZuulProperties
         * @see org.springframework.cloud.context.properties.ConfigurationPropertiesRebinder#onApplicationEvent
         */
        this.applicationContext.publishEvent(new EnvironmentChangeEvent(changeEvent.changedKeys()));

        /**
         * refresh routes
         * @see org.springframework.cloud.netflix.zuul.ZuulServerAutoConfiguration.ZuulRefreshListener#onApplicationEvent
         */
        this.applicationContext.publishEvent(new RoutesRefreshedEvent(routeLocator));

        log.info("Zuul properties refreshed!");
    }

    @Override
    public void setApplicationContext(ApplicationContext applicationContext) throws BeansException {
        this.applicationContext = applicationContext;
    }
}

springcloud gateway限流

在Spring Cloud Gateway中，有Filter过滤器，因此可以在“pre”类型的Filter中自行实现上述三种过滤器。

但是限流作为网关最基本的功能，Spring Cloud Gateway官方就提供了RequestRateLimiterGatewayFilterFactory这个类，适用Redis和lua脚本实现了令牌桶的方式。

具体实现逻辑在RequestRateLimiterGatewayFilterFactory类中，lua脚本在如下图所示的文件夹中：

具体源码不打算在这里讲述，读者可以自行查看，代码量较少，先以案例的形式来讲解如何在Spring Cloud Gateway中使用内置的限流过滤器工厂来实现限流。

首先在工程的pom文件中引入gateway的起步依赖和redis的reactive依赖，代码如下：

 <dependency>
    <groupid>org.springframework.cloud</groupid>
    <artifactid>spring-cloud-starter-gateway</artifactid>
</dependency>

<dependency>
    <groupid>org.springframework.boot</groupid>
    <artifatid>spring-boot-starter-data-redis-reactive
</artifatid></dependency>

复制代码在配置文件中做以下的配置：

spring:
  redis:
    host: 127.0.0.1
    port: 6379
  cloud:
    gateway:
      routes:
      - id: limit_route
        uri: http://httpbin.org:80/get
        predicates:
        - After=2017-01-20T17:42:47.789-07:00[America/Denver]
        filters:
        - name: RequestRateLimiter
          args:
            key-resolver: '#{@hostAddrKeyResolver}'
            redis-rate-limiter.replenishRate: 1
            redis-rate-limiter.burstCapacity: 3

配置了 redis的信息，并配置了RequestRateLimiter的限流过滤器，该过滤器需要配置三个参数：

• burstCapacity，令牌桶总容量。
• replenishRate，令牌桶每秒填充平均速率。
• key-resolver，用于限流的键的解析器的 Bean 对象的名字。它使用 SpEL 表达式根据#{@beanName}从 Spring 容器中获取 Bean 对象。

可以通过KeyResolver来指定限流的Key,比如我们需要根据用户来做限流，IP来做限流等等。

1）IP限流

@Bean
public KeyResolver ipKeyResolver() {
    return exchange -> Mono.just(exchange.getRequest().getRemoteAddress().getHostName());
}

2）用户限流

@Bean
KeyResolver userKeyResolver() {
    return exchange -> Mono.just(exchange.getRequest().getQueryParams().getFirst("userId"));
}

3）接口限流

@Bean
KeyResolver apiKeyResolver() {
    return exchange -> Mono.just(exchange.getRequest().getPath().value());
}

这里只是针对单节点限流，如果需要可以自定义全局限流

sentinel 限流

sentinel限流这里不做详细描述，大家想了解可以参考下面文档：https://mp.weixin.qq.com/s/4LjnzDg9uNQIJML6MIriEg

应用限流

这里springboot应用服务需要限流的话，这里给的方案是集成google的guava类库，大家在网上能搜索到很多demo，我这里不做详细描述，主要是下面api的使用：

 RateLimiter.create(callerRate);

现在容器比较火，现在如果部署在容器或者虚拟机上，我们需要动态调整资源数后，那么限流也会跟着变化，这里说一下如何实现动态限流。第一步肯定是集成配置中心实现配置动态更新，至于说生效方式有几种 方案一： 增加监听器，当配置变动时重新创建限流对象

方案二： 限流对象定时创建，这里引入了应用缓存框架，下面给个demo

import com.ctrip.framework.apollo.Config;
import com.github.benmanes.caffeine.cache.Cache;
import com.github.benmanes.caffeine.cache.Caffeine;
import com.google.common.util.concurrent.RateLimiter;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import org.springframework.web.servlet.HandlerInterceptor;
import org.springframework.web.servlet.ModelAndView;

import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import java.util.concurrent.TimeUnit;


@Slf4j
public class RateLimitInterceptor implements HandlerInterceptor {

    private Config config;

    private static final String RATE_TYPE_GLOBAL = "global";
    private static final String RATE_TYPE_URL = "url";

    //全局限流
    public RateLimitInterceptor(Config config) {
        this.config = config;
    }

    Cache<object, ratelimiter> rateLimiterCache = Caffeine.newBuilder()
            .initialCapacity20
            .expireAfterWrite(2, TimeUnit.MINUTES)
            .maximumSize100
            .softValues()
            .recordStats()
            .build();


    @Override
    public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler) {
        if (StringUtils.isBlank(request.getRequestURI()) || request.getRequestURI().startsWith("/actuator/")
                || request.getRequestURI().startsWith("/srch-recommend/fault-tolerant/health")||request.getRequestURI().startsWith("/health")) {
            return true;
        }
         try {
            boolean rateLimitEnabled=config.getBooleanProperty("ratelimit.enabled", false);
            if(!rateLimitEnabled){
                return true;
            }
            if (!do(RATE_TYPE_GLOBAL, StringUtils.EMPTY, "ratelimit.global")) {
                return false;
            }
            String url = request.getRequestURI();
            if (StringUtils.isNotBlank(url)) {
                return do(RATE_TYPE_URL, url, "ratelimit.url.");
            }
            return true;
        } catch (Exception e) {
            log.warn("RateLimitInterceptor error message:{}", e.getMessage(), e);
            return true;
        }
    }

    private boolean doRateLimiter(String rateType, String key, String configPrefix) {
        String cacheKey = rateType + "-" + key;
        RateLimiter rateLimiter = rateLimiterCache.getIfPresent(cacheKey);
        if (rateLimiter == null) {
            int callerRate = config.getIntProperty(configPrefix + uniqueKey, 0);
            if (callerRate &gt; 0) {
                rateLimiter = RateLimiter.create(callerRate);
                rateLimiterCache.put(cacheKey, rateLimiter);
            }
        }
        return rateLimiter == null || rateLimiter.tryAcquire();
    }


    @Override
    public void postHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler,
                           ModelAndView modelAndView) {
    }

    @Override
    public void afterCompletion(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler, Exception ex) {
    }

}

当然这里如果有业务相关的限流可以根据参考上面的demo自己来实现限流。

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