Python -- 限流 throttle

前言
一个业务型的服务，被open接口后，遭遇并发扫数据，于是要做限流操作。一直固执的认为，业务API和OpenAPI要分开处理，或许因为起初接入其他企业ERP系统都是走较为规范的OpenAPI，始终对于这种开发系统业务API的做法感觉不好。

窗口限流
需求是要在Django的一个工程里做限流，倘若是rest_framework的View也好办，直接就提供了限流 rest_framework throttling
可参照文档设置。不能直接使用设置的原因是，面对是Django做的一个服务，然后proxy至别的服务，工程仅仅承担一个转发的职责。如果在LB上限流，无法区分来源IP，只能是总量限流，很可能导致一旦被限流，正常平台访问被拒绝。所以我需要的限流需求非常清晰，首先限流的粒度是需要先知道访问来源的真实IP，在一定窗口时间内的访问次数，诸如 100/min。

rest_framework 提供了比错的实现思路，类似实现一套打点记录的，片段存储，打点记录为需要限制的实时条件。就以上述 100/min为例，首先一分钟之内，IP1没有任何访问，则没有任何限制数据，redis的过期时间，满足了此数据设置，再有，1分钟之内，要满足次数不超过100次，维护一个数组，长度超过100则意味超过访问限制，数组中记录请求每次访问的时刻值，窗口滑动就是淘汰掉连续访问中，以当前时刻后置一分钟之前的访问打点，保证了数组窗口永远都是以当前最近请求进入1min之内的记录点。

# throttle setting
THROTTLE_RATES = {
'resource1': '100/min',
'resource2': '20/second'
}

# throttle class
class WindowAccessThrottle:

cache = Cache()
timer = time.time

def __init__(self, request, view, scope):
self.rate = settings.THROTTLE_RATES[scope]
self.request = request
self.view = view
self.key = self.get_cache_key()

def parse_rate(self):
num, period = self.rate.split('/')
num_requests = int(num)
duration = {'s': 1, 'm': 60, 'h': 3600, 'd': 86400}[period[0]]
return num_requests, duration

def get_cache_key(self):
host = self.request.META['HTTP_X_FORWARDED_FOR'] \
if self.request.META.get('HTTP_X_FORWARDED_FOR', None) else \
self.request.META['REMOTE_ADDR']
return 'throttle:{}:{}'.format(host, self.view.__name__)

def allow_request(self):
history = self.cache.get_value(self.key, [])
now = self.timer()
num_requests, duration = self.parse_rate()

while history and history[-1] <= now - duration:
history.pop()
if len(history) >= num_requests:
return False

history.insert(0, now)
self.cache.set(self.key, history, duration)
return True
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注意
1，上述示例可根据实际需求修改
2，在做IP级别限定是，如果直接调用request.META[‘REMOTE_ADDR’]获取的是请求直接过来的IP，实际部署服务多数是经过LB，或者nginx反向代理的，REMOTE_ADDR多数就是前置LB的IP，所以取用HTTP_X_FORWARDED_FOR获取发起请求的远端IP。
3，cache = Cache()就是一个redis的封装，稍微实现下cache.get_value(self.key, [])对获取支持默认值
4，使用时类似原生的throttle，在view函数中设置 scope
4，配合Django的中间件，调用判定，大致如下：

from django.urls import resolve

'''
实际下面中间件需要根据需求自定义调试，如果只是rest_framework的View可以直接用原生的设定，因为笔者是自己封装的转发View，
相当于重新自定义一个完全新的通用视图，需要重新实现限流
'''
class ThrottleMiddleware(MiddlewareMixin):
def process_request(self, request):
resolver = resolve(request.path)
throttle_scope = getattr(resolver.func, 'throttle_scope', None)
throttle = WindowAccessThrottle(request, resolver.func, throttle_scope)
if throttle.allow_request():
return
else:
return HttpResponse()
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漏斗限流
上面窗口限流，一定程度上解决了流量猛增的问题，但是以上面 120/min的限流为例，用户在1分钟的某一瞬间，120的并发，此种场景，上面的限流器基本没有作用了，设想能够在短时间内，既限制访问的总量，也能限制访问的频率至于过高，漏斗限流就非常理想，基本抽象模型：
1，漏斗参数：
- capacity：容量，漏斗大小
- rate：漏斗流出速率，可以用 total和duration计算，一段时间duration内允许通过的总量total
2，当漏斗为空漏斗时：
- 访问进入的速率 < rate，此时漏斗无积压，请求一律通过
- 访问进入的速率 >= rate，此时漏斗中逐渐积压，且漏斗以rate值不断流出
3，当漏斗不为空时：
- 出水口以最大速率流出
- 漏斗未满，会继续纳入
- 漏斗已满，则会直接溢出，拒绝请求
用漏斗限流实现上述IP限流，示例如下：

THROTTLE_RATES = {
'funnel': {
'capacity': 15,
'duration': 60, # seconds
'total': 30,
},
}

class FunnelThrottle:

cache = CusCache()
timer = time.time

def __init__(self, request, view, scope):
config = settings.THROTTLE_RATES[scope]
self.rate = config['total'] / config['duration']
self.capacity = config['capacity']
self.duration = config['duration']
self.request = request
self.view = view
self.key = self.get_cache_key()

def get_cache_key(self):
"""
same as WindowAccessThrottle
"""
pass

def allow_request(self):
history = self.cache.get_value(self.key, [])
now = self.timer()
if not history: # 空漏斗直接放行
history.insert(0, now)
self.cache.set(self.key, history, self.duration)
return True

latest_duration = now - history[0] # 距离最近的一次放行时间间隔
leak_count = int(latest_duration * self.rate) # 由间隔时间和漏斗流速计算此段时间漏斗腾出空间
for i in range(leak_count):
if history:
history.pop()
else:
break

# 在上述漏斗清理流出空间后，漏斗仍旧满量，直接判定不可访问
if len(history) >= self.capacity:
return False

# 如果可访问，请求进入漏斗计量
history.insert(0, now)
self.cache.set(self.key, history, self.duration)
return True
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Note:
1，漏斗限流方式和之前窗口限流所用的数据结构在cache中基本一致，只因判定算法不同，所达到的限流效果，完全不同
2，漏斗限流，进入漏斗计量的点，表示一律放行通过了，只是，在漏斗中会根据下一次访问进入时间判定该点是否由漏斗的rate失效，而达到容量合理，限制流速的效果

Redis 漏斗限流 （redis-cell）
上述的漏斗限流算法，在Redis的模块中已经内置实现了一个，具体介绍请参见Github redis-cell详细介绍 笔者安装在MacOS上，基本没有问题：

# 下载mac版本安装包
https://github.com/brandur/redis-cell/releases
# 解压
tar -zxf redis-cell-*.tar.gz
# 复制可执行文件
cp libredis_cell.dylib /your_redis_server_localtion
# 重启redis-server，把libredis_cell.dylib加载上
redis-server --loadmodule /path/to/modules/libredis_cell.dylib
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安装重启后，可以在redis中执行 CL.THROTTLE 命令：

# CL.THROTTLE user123 15 30 60 1和实现算法中的配置类似，user123表示限流key，15: capacity，30: total，60: duration,
127.0.0.1:6379> CL.THROTTLE user123 15 30 60 1
1) (integer) 0 # 0表示允许，1表示拒绝
2) (integer) 16 # 漏斗容量 max_burst + 1 = 15 +1 =16
3) (integer) 15 # 漏斗剩余容量
4) (integer) -1 # 如果被拒绝，多少秒后重试
5) (integer) 2 # 多长时间后漏斗完全漏空
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但是redis-cell没有找到对应的sdk

Python Bound method
# python 3.x
def func():
pass

class A:
@classmethod
def method_cls(cls):
pass
def method_a(self):
pass
class B(A):
pass

a, b = A(), B()
print(func) # <function func at 0x10ee8a1e0>
print(a.method_a) # <bound method A.method_a of <__main__.A object at 0x10ef11978>>
print(b.method_cls) # <bound method A.method_cls of <class '__main__.B'>>
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对于上文中 func就是一个函数对象，而method_a 和 method_cls 是归属类A的所以，是一个bound method，那么如何查看一个 bound method的归属呢？
Python 2.x中提供了 im_func，im_class，im_self三个属性：

im_func is the function object.
im_class is the class the method comes from.
im_self is the self object the method is bound to.
Python3.x中

__func__ replace im_func
__self__ replace im_self
2.x中的 im_class取消
# python 3.x
print(a.method_a.__self__)
print(b.method_cls.__self__)
# print(func.__self__) error func 无 __self__
print(b.method_cls.__self__.__name__)
# print(b.method_cls.__self__.__name__) error b.method_cls.__self__是一个实例，无__name__属性
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关于 __name__ 和 __qualname__ 请参见 PEP 3155
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