从kratos分析BBR限流源码实现

作者：@daemon365
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什么是自适应限流

自适应限流从整体维度对应用入口流量进行控制，结合应用的 Load、CPU 使用率、总体平均 RT、入口 QPS 和并发线程数等几个维度的监控指标，通过自适应的流控策略，让系统的入口流量和系统的负载达到一个平衡，让系统尽可能跑在最大吞吐量的同时保证系统整体的稳定性。

核心目标：

• 自动嗅探负载和 qps，减少人工配置
• 削顶，保证超载时系统不被拖垮，并能以高水位 qps 继续运行

限流规则

计算吞吐量：利特尔法则 L = λ * W

如上图所示，如果我们开一个小店，平均每分钟进店 2 个客人(λ)，每位客人从等待到完成交易需要 4 分钟(W)，那我们店里能承载的客人数量就是 2 * 4 = 8 个人

同理，我们可以将 λ 当做 QPS， W 呢是每个请求需要花费的时间，那我们的系统的吞吐就是 L = λ * W ，所以我们可以使用利特尔法则来计算系统的吞吐量。

指标介绍

指标名称	指标含义
cpu	最近 1s 的 CPU 使用率均值，使用滑动平均计算，采样周期是 250ms
inflight	当前处理中正在处理的请求数量
pass	请求处理成功的量
rt	请求成功的响应耗时

滑动窗口

在自适应限流保护中，采集到的指标的时效性非常强，系统只需要采集最近一小段时间内的 qps、rt 即可，对于较老的数据，会自动丢弃。为了实现这个效果，kratos 使用了滑动窗口来保存采样数据。

如上图，展示了一个具有两个桶（bucket）的滑动窗口（rolling window）。整个滑动窗口用来保存最近 1s 的采样数据，每个小的桶用来保存 500ms 的采样数据。 当时间流动之后，过期的桶会自动被新桶的数据覆盖掉，在图中，在 1000-1500ms 时，bucket 1 的数据因为过期而被丢弃，之后 bucket 3 的数据填到了窗口的头部。

限流公式

判断是否丢弃当前请求的算法如下：

cpu > 800 AND (Now - PrevDrop) < 1s AND (MaxPass * MinRt * windows / 1000) < InFlight

MaxPass 表示最近 5s 内，单个采样窗口中最大的请求数。 MinRt 表示最近 5s 内，单个采样窗口中最小的响应时间。 windows 表示一秒内采样窗口的数量，默认配置中是 5s 50 个采样，那么 windows 的值为 10。

源码分析

代码地址：

• https://github.com/go-kratos/aegis/tree/main/ratelimit/bbr

BBR struct

type BBR struct {
	cpu             cpuGetter
	passStat        window.RollingCounter
	rtStat          window.RollingCounter
	inFlight        int64
	bucketPerSecond int64
	bucketSize      time.Duration
 
	// prevDropTime defines previous start drop since initTime
	prevDropTime atomic.Value
	maxPASSCache atomic.Value
	minRtCache   atomic.Value
 
	opts *options
}

1. cpu
   • cpu的指标函数，CPU的使用率， 这里为了减小误差，把数字扩大化，乘以1000，比赛使用率60%，也就是0.6 cpu的值就为600
2. passStat
   • 请求数的采样数据，使用滑动窗口进行统计
3. rtStat
   • 响应时间的采样数据，同样使用滑动窗口进行统计
4. inFlight
   • 当前系统中的请求数，数据得来方法是：中间件原理在处理前+1，处理handle之后不管成功失败都减去1
5. bucketPerSecond
   • 一个 bucket 的时间
6. bucketSize
   • 桶的数量
7. prevDropTime
   • 上次触发限流时间
8. maxPASSCache
   • 单个采样窗口中最大的请求数的缓存数据
9. minRtCache
   • 单个采样窗口中最小的响应时间的缓存数据

Allow接口

// Allow checks all inbound traffic.
// Once overload is detected, it raises limit.ErrLimitExceed error.
func (l *BBR) Allow(ctx context.Context) (func(), error) {
	if l.shouldDrop() { // shouldDrop 判断是否需要限流，如果true表示拒绝 之后重点讲
		return nil, ErrLimitExceed
	}
	atomic.AddInt64(&l.inFlight, 1) // 之前说的，正在处理数+1
	stime := time.Since(initTime) // 现在时间减去程序初始化时间 表示程序开始执行时刻
	return func() { // allow返回函数 在中间件（拦截器）中handle执行完成后调用
		rt := int64((time.Since(initTime) - stime) / time.Millisecond)  // 执行完handle的时间减去stime 表示 程序执行的总时间 单位ms
		l.rtStat.Add(rt) // 把处理时间放进采样数据window
		atomic.AddInt64(&l.inFlight, -1) // 正在处理数-1 便是处理完成
		l.passStat.Add(1) // 成功了，把通过数的采样数据window加1
	}, nil
}

shouldDrop方法

func (l *BBR) shouldDrop() bool {
	curTime := time.Since(initTime)
	if l.cpu() < l.opts.CPUThreshold {
		// current cpu payload below the threshold
		prevDropTime, _ := l.prevDropTime.Load().(time.Duration)
		if prevDropTime == 0 {
			// haven't start drop,
			// accept current request
			return false
		}
		if curTime-prevDropTime <= time.Second {
			// just start drop one second ago,
			// check current inflight count
			inFlight := atomic.LoadInt64(&l.inFlight)
			return inFlight > 1 && inFlight > l.maxInFlight()
		}
		l.prevDropTime.Store(time.Duration(0))
		return false
	}
 
	// current cpu payload exceeds the threshold
	inFlight := atomic.LoadInt64(&l.inFlight)
	drop := inFlight > 1 && inFlight > l.maxInFlight()
	if drop {
		prevDrop, _ := l.prevDropTime.Load().(time.Duration)
		if prevDrop != 0 {
			// already started drop, return directly
			return drop
		}
		// store start drop time
		l.prevDropTime.Store(curTime)
	}
	return drop
}
 

maxInFlight()方法代表过去的负载

int64(math.Floor(float64(l.maxPASS()*l.minRT()*l.bucketPerSecond)/1000.0) + 0.5)

参考算法：https://github.com/alibaba/Sentinel/wiki/系统自适应限流

• maxPass * bucketPerSecond / 1000 为每毫秒处理的请求数
• l.minRT() 为 单个采样窗口中最小的响应时间
• T ≈ QPS * Avg(RT)
• + 0.5为向上取整

流程图

压测报告

场景1，请求以每秒增加1个的速度不停上升，压测效果如下：

左测是没有限流的压测效果，右侧是带限流的压测效果。 可以看到，没有限流的场景里，系统在 700qps 时开始抖动，在 1k qps 时被拖垮，几乎没有新的请求能被放行，然而在使用限流之后，系统请求能够稳定在 600 qps 左右，rt 没有暴增，服务也没有被打垮，可见，限流有效的保护了服务。

参考文章：

• https://v1.go-kratos.dev/#/ratelimit
• https://github.com/alibaba/Sentinel/wiki/系统自适应限流

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