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<audio id="audio" title="91 | 项目实战一：设计实现一个支持各种算法的限流框架（设计）" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/d0/71/d018ed6b91e0ba93989da935c5730271.mp3"></audio>
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上一节课，我们介绍了限流框架产生的项目背景，并且对需求做了分析，这其中包括功能性需求和非功能性需求，算是在正式开始设计之前的一个铺垫。
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前面提到，我们把项目实战分为分析、设计、实现三部分来讲解。其中，分析环节跟之前讲过的面向对象分析很相似，都是做需求的梳理。但是，项目实战中的设计和实现，跟面向对象设计和实现就不是一回事儿了。这里的“设计”指的是系统设计，主要是划分模块，对模块进行设计。这里的“实现”实际上等于面向对象设计加实现。因为我们前面讲到，面向对象设计与实现是聚焦在代码层面的，主要产出的是类的设计和实现。
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今天，我们分限流规则、限流算法、限流模式、集成使用这4个模块，来讲解限流框架的设计思路。上节课我们提到，限流框架的基本功能非常简单，复杂在于它的非功能性需求，所以，我们今天讲解的重点是，看如何通过合理的设计，实现一个满足易用、易扩展、灵活、低延时、高容错等非功能性需求的限流框架。
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话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！
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## 限流规则
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框架需要定义限流规则的语法格式，包括调用方、接口、限流阈值、时间粒度这几个元素。框架用户按照这个语法格式来配置限流规则。我举了一个例子来说明一下，如下所示。其中，unit表示限流时间粒度，默认情况下是1秒。limit表示在unit时间粒度内最大允许的请求次数。拿第一条规则来举例，它表示的意思就是：调用方app-1对接口/v1/user每分钟的最大请求次数不能超过100次。
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```
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configs:
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- appId: app-1
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limits:
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- api: /v1/user
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limit: 100
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unit：60
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- api: /v1/order
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limit: 50
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- appId: app-2
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limits:
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- api: /v1/user
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limit: 50
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- api: /v1/order
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limit: 50
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```
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对于限流时间粒度的选择，我们既可以选择限制1 秒钟内不超过1000次，也可以选择限制10毫秒内不超过10次，还可以选择限制1分钟内不超过6万次。虽然看起来这几种限流规则是等价的，但过大的时间粒度会达不到限流的效果。比如，有可能6万次请求集中在1秒中到达，限制1分钟不超过6万次，就起不到保护的作用；相反，因为接口访问在细时间粒度上随机性很大，并不会很均匀。过小的时间粒度，会误杀很多本不应该限流的请求。所以，尽管越细的时间粒度限流整形效果越好，流量曲线越平滑，但也并不是时间粒度越小越合适。
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我们知道，Spring框架支持各种格式的配置文件，比如XML、YAML、Porperties等。除此之外，基于约定优于配置原则，Spring框架用户只需要将配置文件按照约定来命名，并且放置到约定的路径下，Spring框架就能按照约定自动查找和加载配置文件。
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大部分Java程序员已经习惯了Spring的配置方式，基于我们前面讲的最小惊奇原则，在限流框架中，我们也延续Spring的配置方式，支持XML、YAML、Properties等几种配置文件格式，同时，约定默认的配置文件名为ratelimiter-rule.yaml，默认放置在classpath路径中。
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除此之外，为了提高框架的兼容性、易用性，除了刚刚讲的本地文件的配置方式之外，我们还希望兼容从其他数据源获取配置的方式，比如Zookeeper或者自研的配置中心。
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## 限流算法
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常见的限流算法有：固定时间窗口限流算法、滑动时间窗口限流算法、令牌桶限流算法、漏桶限流算法。其中，固定时间窗口限流算法最简单。我们只需要选定一个起始时间起点，之后每来一个接口请求，我们都给计数器（记录当前时间窗口内的访问次数）加一，如果在当前时间窗口内，根据限流规则（比如每秒钟最大允许100次接口请求），累加访问次数超过限流值（比如100次），就触发限流熔断，拒绝接口请求。当进入下一个时间窗口之后，计数器清零重新计数。
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不过，固定时间窗口的限流算法的缺点也很明显。这种算法的限流策略过于粗略，无法应对两个时间窗口临界时间内的突发流量。我们来举一个例子。假设我们限流规则为每秒钟不超过100次接口请求。第一个1秒时间窗口内，100次接口请求都集中在最后的10毫秒内，在第二个1秒时间窗口内，100次接口请求都集中在最开始的10毫秒内。虽然两个时间窗口内流量都符合限流要求 (小于等于100个接口请求)，但在两个时间窗口临界的20毫秒内集中有200次接口请求，固定时间窗口限流算法没法对这种情况进行限流，集中在这20毫秒内的200次请求有可能会压垮系统。
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为了让流量更加平滑，于是就有了更加高级的滑动时间窗口限流算法、令牌桶限流算法和漏桶限流算法。因为我们主要讲设计而非技术，所以其他几种限流算法，留给你自己去研究，你也可以参看我之前写的关于限流框架的技术文档。
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尽管固定时间窗口限流算法没法做到让流量很平滑，但大部分情况下，它已经够用了。默认情况下，框架使用固定时间窗口限流算法做限流。不过，考虑到框架的扩展性，我们需要预先做好设计，预留好扩展点，方便今后扩展其他限流算法。除此之外，为了提高框架的易用性、灵活性，我们最好将其他几种常用的限流算法，也在框架中实现出来，供框架用户根据自己业务场景自由选择。
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## 限流模式
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刚刚讲的是限流算法，我们再讲讲限流模式。我们把限流模式分为两种：单机限流和分布式限流。所谓单机限流，就是针对单个实例的访问频率进行限制。注意这里的单机并不是真的一台物理机器，而是一个服务实例，因为有可能一台物理机器部署多个实例。所谓的分布式限流，就是针对某个服务的多个实例的总的访问频率进行限制。我举个例子来解释一下。
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假设我们开发了一个用户相关的微服务，为了提高服务能力，我们部署了5个实例。我们限制某个调用方，对单个实例的某个接口的访问频率，不能超过100次/秒。这就是单机限流。我们限制某个调用方，对5个实例的某个接口的总访问频率，不能超过500次/秒。这就是所谓的分布式限流。
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从实现的角度来分析，单机限流和分布式限流的主要区别在接口访问计数器的实现。单机限流只需要在单个实例中维护自己的接口请求计数器。而分布式限流需要集中管理计数器（比如使用Redis存储接口访问计数），这样才能做到多个实例对同一个计数器累加计数，以便实现对多个实例总访问频率的限制。
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前面我们讲到框架要高容错，不能因为框架的异常，影响到集成框架的应用的可用性和稳定性。除此之外，我们还讲到框架要低延迟。限流逻辑的执行不能占用太长时间，不能或者很少影响接口请求本身的响应时间。因为分布式限流基于外部存储Redis，网络通信成本较高，实际上，高容错、低延迟设计的主要场景就是基于Redis实现的分布式限流。
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对于Redis的各种异常情况，我们处理起来并不难，捕获并封装为统一的异常，向上抛出或者吞掉就可以了。比较难处理的是Redis访问超时。Redis访问超时会严重影响接口的响应时间，甚至导致接口请求超时。所以，在访问Redis时，我们需要设置合理的超时时间。一旦超时，我们就判定为限流失效，继续执行接口请求。Redis 访问超时时间的设置既不能太大也不能太小，太大可能会影响到接口的响应时间，太小可能会导致太多的限流失效。我们可以通过压测或者线上监控，获取到Redis访问时间分布情况，再结合接口可以容忍的限流延迟时间，权衡设置一个较合理的Redis超时时间。
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## 集成使用
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前面剖析Spring框架的时候，我们讲到低侵入松耦合设计思想。限流框架也应该满足这个设计思想。因为框架是需要集成到应用中使用的，我们希望框架尽可能低侵入，与业务代码松耦合，替换、删除起来也更容易些。
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除此之外，在剖析MyBatis框架的时候，我们讲到MyBatis框架是为了简化数据库编程。实际上，为了进一步简化开发，MyBatis还提供了MyBatis-Spring类库，方便在使用了Spring框架的项目中集成MyBatis框架。我们也可以借鉴MyBatis-Spring，开发一个Ratelimiter-Spring类库，能够方便使用了Spring的项目集成限流框架，将易用性做到极致。
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## 重点回顾
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好了，今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下，你需要重点掌握的内容。
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我们将这个限流框架划分为限流规则、限流算法、限流模式、集成使用者这四个模块来分析讲解。除了功能方面的设计之外，我们重点讲了如何满足易用、灵活、易扩展、低延迟、高容错这些非功能性需求。
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针对限流规则，大部分Java程序员已经习惯了Spring的配置方式。基于最小惊奇原则，在限流框架中，我们也延续Spring的配置方式，支持XML、YAML、Properties等几种配置文件格式。同时，借鉴Spring的约定优于配置设计原则，限流框架用户只需要将配置文件按照约定来命名，并且放置到约定的路径下，框架就能按照约定自动查找和加载配置文件。除此之外，为了提高框架的兼容性、易用性，除了本地文件的配置方式之外，我们还希望兼容从其他数据源获取配置的方式，比如Zookeeper或者自研的配置中心。
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针对限流算法，尽管固定时间窗口限流算法没法做到让流量很平滑，但大部分情况下，它已经够用了。默认情况下，框架使用固定时间窗口限流算法做限流。不过，考虑到框架的扩展性，我们需要预先做好设计，预留好扩展点，方便今后扩展其他限流算法。除此之外，为了提高框架的易用性、灵活性，我们将其他几种常用的限流算法也在框架中实现出来，供框架用户根据自己的业务场景自由选择。
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针对限流模式，因为分布式限流基于外部存储Redis，网络通信成本较高，框架的高容错和低延迟的设计，主要是针对基于Redis的分布式限流模式。不能因为Redis的异常，影响到集成框架的应用的可用性和稳定性。不能因为Redis访问超时，导致接口访问超时。
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针对集成使用，我们希望框架低侵入，跟业务代码松耦合。应用集成框架的代码，尽可能集中、不分散，这样删除、替换起来就容易很多。除此之外，为了将框架的易用性做到极致，我们借鉴MyBatis-Spring类库，设计实现一个RateLimiter-Spring类库，方便集成了Spring框架的应用集成限流框架。
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## 课堂讨论
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今天，我们提到配置限流规则的时候，时间粒度不能太大，也不能太小，限流值也要设置得合理，太大起不到限流的作用，太小容易误杀。那请你思考一下，如何选择合理的时间粒度和限流值？如何验证设置的合理性？
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