(微服务)服务治理：几种开源限流算法库/应用软件介绍和使用

一、Go time/rate 限流器

1.1 简介

Go 在 x 标准库，即 golang.org/x/time/rate 里自带了一个限流器，这个限流器是基于令牌桶算法（token bucket）实现的。

在上一篇文章讲了几种限流算法，里面就有令牌桶算法，具体可以看上篇文章介绍。

1.2 rate/time 限流构造器

这个限流构造器就是生成 token，供后面使用。

Limiter struct 结构：

// https://github.com/golang/time/blob/master/rate/rate.go#L55

// The methods AllowN, ReserveN, and WaitN consume n tokens.
type Limiter struct {
    mu sync.Mutex
    limit Limit   // 放入 token 的速率
    burst int     // 令牌桶限制最大值
    tokens float64 // 桶中令牌数
    // last is the last time the limiter's tokens field was updated
    last time.Time
    // lastEvent is the latest time of a rate-limited event (past or future)
    lastEvent time.Time
}

限流器构造方法：func NewLimiter(r Limit, b int) *Limiter：

• r ：产生 token 的速率。默认是每秒中可以向桶中生产多少 token。也可以设置这个值，用方法 Every 设置 token 速率时间粒度。
• b ：桶的容量，桶容纳 token 的最大数量。 b == 0，允许声明容量为 0 的值，这时拒绝所有请求；与 b== 0 情况相反，如果 r 为 inf 时，将允许所有请求，即使是 b == 0。

// Inf is the infinite rate limit; it allows all events (even if burst is zero). 
const Inf = Limit(math.MaxFloat64)

It implements a "token bucket" of size b, initially full and refilled at rate r tokens per second.
构造器一开始会为桶注入 b 个 token，然后每秒补充 r 个 token。

• 每秒生成 20 个 token，桶的容量为 5，代码为：

limiter ：= NewLimiter(20, 5)

• 200ms 生成 1 个 token

这时候不是秒为单位生成 token ，就可以使用 Every 方法设置生成 token 的速率：

limit := Every(200 * time.Millisecond)
limiter := NewLimiter(limit, 5)

1秒 = 200ms * 5，也就是每秒生成 5 个 token。

生成了 token 之后，请求获取 token，然后使用 token。

1.3 time/rate 有3种限流用法

time/rate 源码里注释，消费 n 个 tokens 的方法

// The methods AllowN, ReserveN, and WaitN consume n tokens.

• AllowN
• ReserveN
• WaitN

A. WaitN、Wait

WaitN / Wait 方法：

// https://pkg.go.dev/golang.org/x/time/rate#Limiter.WaitN
// WaitN blocks until lim permits n events to happen.
// It returns an error if n exceeds the Limiter's burst size, the Context is
// canceled, or the expected wait time exceeds the Context's Deadline.
// The burst limit is ignored if the rate limit is Inf.
func (lim *Limiter) WaitN(ctx context.Context, n int) (err error)

func (lim *Limiter) Wait(ctx context.Context) (err error)

WaitN ： 当桶中的 token 数量小于 N 时，WaitN 方法将阻塞一段时间直到 token 满足条件或超时或取消(如果设置了context)，超时或取消将返回error。如果 N 充足则直接返回。
Wait ： 就是 WaitN 方法中参数 n 为 1 时，即：WaitN(ctx, 1)。

方法里还有 Contex 参数，所以也可以设置 Deadline 或 Timeout，来决定 Wait 最长时间。比如下面代码片段：

 ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Second * 5)
 defer cancel()
 err := limiter.WaitN(ctx, 2)

例子1：

package main

import (
	"context"
	"fmt"
	"time"

	"golang.org/x/time/rate"
)

func main() {
	limit := rate.NewLimiter(3, 5) // 每秒产生 3 个token，桶容量 5

	ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Second*5)
	defer cancel() // 超时取消

	for i := 0; ; i++ { // 有多少令牌直接消耗掉
		fmt.Printf("%03d %s\n", i, time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05.000"))
		err := limit.Wait(ctx)
		if err != nil { // 超时取消 err != nil
			fmt.Println("err: ", err.Error())
			return // 超时取消，退出 for
		}
	}
}

分析：这里指定令牌桶大小为 5，每秒生成 3 个令牌。for 循环消耗令牌，产生多少令牌都会消耗掉。
从开始一直到 5 秒超时，计算令牌数，一开始初始化 NewLimiter 的 5 个 + 每秒 3 个令牌 * 5秒 ，总计 20 个令牌。运行程序输出看看：

$ go run .\waitdemo.go
000 2022-05-17 21:35:38.400
001 2022-05-17 21:35:38.425
002 2022-05-17 21:35:38.425
003 2022-05-17 21:35:38.425
004 2022-05-17 21:35:38.425
005 2022-05-17 21:35:38.425
006 2022-05-17 21:35:38.773
007 2022-05-17 21:35:39.096
008 2022-05-17 21:35:39.436
009 2022-05-17 21:35:39.764
010 2022-05-17 21:35:40.106
011 2022-05-17 21:35:40.434
012 2022-05-17 21:35:40.762
013 2022-05-17 21:35:41.104
014 2022-05-17 21:35:41.430
015 2022-05-17 21:35:41.759
016 2022-05-17 21:35:42.104
017 2022-05-17 21:35:42.429
018 2022-05-17 21:35:42.773
019 2022-05-17 21:35:43.101
err:  rate: Wait(n=1) would exceed context deadline

B: AllowN、Allow

AllowN / Allow 方法

// https://pkg.go.dev/golang.org/x/time/rate#Limiter.AllowN
// AllowN reports whether n events may happen at time now.
// Use this method if you intend to drop / skip events that exceed the rate limit.
// Otherwise use Reserve or Wait.
func (lim *Limiter) AllowN(now time.Time, n int) bool

// Allow is shorthand for AllowN(time.Now(), 1).
func (lim *Limiter) Allow() bool

AllowN ：截止到某一时刻，桶中的 token 数量至少为 N 个，满足就返回 true，同时从桶中消费 n 个 token；反之返回 false，不消费 token。这个实际就是丢弃某些请求。
Allow ：就是 AllowN 方法中参数 now 为现在时间，n 为 1，即 AllowN(time.Now(), 1)

例子：

package main

import (
	"fmt"
	"net/http"
	"time"

	"golang.org/x/time/rate"
)

func main() {
	r := rate.Every(1 * time.Millisecond)
	limit := rate.NewLimiter(r, 10)

	http.HandleFunc("/", func(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
		if limit.Allow() {
			fmt.Printf("success，当前时间：%s\n", time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05"))
		} else {
			fmt.Printf("success，但是被限流了。。。\n")
		}
	})

	fmt.Println("http start ... ")
	_ = http.ListenAndServe(":8080", nil)

}

然后你可以找一个 http 测试工具模拟用户压测下，比如 https://github.com/rakyll/hey 这个工具。测试命令：

hey -n 100 http://localhost:8080/

就可以看到输出的内容

... ...
success，当前时间：2022-05-17 21:41:44
success，当前时间：2022-05-17 21:41:44
success，当前时间：2022-05-17 21:41:44
success，但是被限流了。。。
success，但是被限流了。。。
... ...

例子2：

package main

import (
	"fmt"
	"time"

	"golang.org/x/time/rate"
)

func main() {
	limit := rate.NewLimiter(1, 3)
	for {
		if limit.AllowN(time.Now(), 2) {
			fmt.Println(time.Now().Format("2006-01-02 15:04:05"))
		} else {
			time.Sleep(time.Second * 3)
		}
	}
}

C：ReserveN、Reserve

ReserveN / Reserve 方法

// https://pkg.go.dev/golang.org/x/time/rate#Limiter.ReserveN
// ReserveN returns a Reservation that indicates how long the caller must wait before n events happen. The Limiter takes this Reservation into account when allowing future events. The returned Reservation’s OK() method returns false if n exceeds the Limiter's burst size.
func (lim *Limiter) ReserveN(now time.Time, n int) *Reservation

func (lim *Limiter) Reserve() *Reservation

func (r *Reservation) DelayFrom(now time.Time) time.Duration
func (r *Reservation) Delay() time.Duration
func (r *Reservation) OK() bool

其实上面的 WaitN 和 AllowN 都是基于 ReserveN 方法。具体可以去看看这 3 个方法的源码。

ReserveN ：此方法返回 *Reservation 对象。你可以调用该对象的 Dealy 方法，获取延迟等待的时间。如果为 0，则不用等待。必须等到等待时间结束后才能进行下面的工作。
或者，如果不想等待，可以调用 Cancel 方法，该方法会将 Token 归还。
Reserve ：就是 ReserveN 方法中参数 now 为现在时间，n 为 1，即 AllowN(time.Now(), 1)

usage example:

// https://pkg.go.dev/golang.org/x/time/rate#Limiter.ReserveN

r := lim.ReserveN(time.Now(), 1)
if !r.OK() {
  // Not allowed to act! Did you remember to set lim.burst to be > 0 ?
  return
}
time.Sleep(r.Delay())
Act() // 执行相关逻辑

1.4 动态设置桶token容量和速率

SetBurstAt / SetBurst：

func (lim *Limiter) SetBurstAt(now time.Time, newBurst int)
func (lim *Limiter) SetBurst(newBurst int)

SetBurstAt ：设置到某时刻桶中 token 的容量
SetBurst：SetBurstAt(time.Now())

SetLimitAt / SetLimit

func (lim *Limiter) SetLimitAt(now time.Time, newLimit Limit)
func (lim *Limiter) SetLimit(newLimit Limit)

SetLimitAt ：设置某刻 token 的速率
SetLimit ：设置 token 的速率

二、uber 的 rate limiter

2.1 简介

uber 的这个限流算法是漏桶算法（leaky bucket） - github.com/uber-go/ratelimit。

与令牌桶算法的区别：

1. 漏桶算法流出的速率可以控制，流进桶中请求不能控制
2. 令牌桶算法对于流入和流出的速度都是可以控制的，因为令牌可以自己生成。所以它还可以应对突发流量。突发流量生成 token 就快些。
3. 令牌桶算法只要桶中有 token 就可以一直消费，漏桶是按照预定的间隔顺序进行消费的。

2.2 使用

官方的例子：

limit := ratelimit.New(100) // 每秒钟允许100个请求

prev := time.Now()

for i := 0; i < 10; i++ {
    now := limit.Take()
    fmt.Println(i, now.Sub(prev))
    prev = now
}

限流器每秒可以通过 100 个请求，平均每个间隔 10ms。

2.3 uber 对漏桶算法的改进

在传统的漏桶算法，每个请求间隔是固定的，然而在实际应用中，流量不是这么平均的，时而小时而大，对于这种情况，uber 对 leaky bucket 做了一点改进，引入 maxSlack 最大松弛量的概念。

举例子：比如 3 个请求，请求 1 完成，15ms后，请求 2 才到来，可以对 2 立即处理。请求 2 完成后，5ms后，请求 3 到来，这个请求距离上次请求不足 10ms，因此要等 5ms。
但是，对于这种情况，实际三个请求一共耗时 25ms 才完成，并不是预期的 20ms。

uber 的改进是：可以把之情请求间隔比较长的时间，匀给后面的请求使用，只要保证每秒请求数即可。

uber ratelimit 改进代码实现：

t.sleepFor += t.perRequest - now.Sub(t.last)
if t.sleepFor > 0 {
  t.clock.Sleep(t.sleepFor)
  t.last = now.Add(t.sleepFor)
  t.sleepFor = 0
} else {
  t.last = now
}

把每个请求多余出来的等待时间累加起来，以给后面的抵消使用。

其他参数用法：

• WithoutSlack：

ratelimit 中引入最大松弛量，默认的最大松弛量为 10 个请求的间隔时间。
但是我不想用这个最大松弛量呢，就要限制请求的固定间隔时间，用 WithoutSlack 这个参数限制：

limit := ratelimit.New(100, ratelimit.WithoutSlack)

• WithClock(clock Clock)：

ratelimit 中时间相关计算是用 go 的标准时间库 time，如果想要更高进度或特殊需求计算，可以用 WithClock 参数替换，实现 Clock 的 interface 就可以了

type Clock interface {
        Now() time.Time
        Sleep(time.Duration)
}

clock &= MyClock{}
limiter := ratelimit.New(100, ratelimit.WithClock(clock))

更多 ratelimit

三、其他限流器，算法库包和软件

1. 滴滴的 tollbooth，http 限流中间件，有很多特性：
   • 1.基于IP，路径，方法，header，授权用户等限流
   • 2.通过使用 LimitByKeys() 组合你自己的中间件
   • 3.对于head项和基本auth能够设置TTL-过期时间
   • 4.拒绝后，可以使用以下 HTTP 头响应，比如 X-Rate-Limit-Limit  The maximum request limit
   • 5.当限流达到上限，可以自定义消息和方法，返回信息
   • 6.它是基于 golang.org/x/time/rate 开发
2. java 的 guava 限流
   • ratelimiter
3. 基于信号量限流
   • https://github.com/golang/net/blob/master/netutil/listen.go
4. sentinel-go 服务治理软件以及sentinel
   • https://github.com/alibaba/sentinel-golang
   • github.com/alibaba/Sentinel ，java编写的流控组件，服务治理
5. 还有各种基于 nginx 的限流器，限流软件-服务网关，api gateway等
6. java的服务治理软件
   • github.com/alibaba/Sentinel Sentinel
   • https://github.com/Netflix/Hystrix Hystrix
   • https://github.com/resilience4j/resilience4j resilience4j

四、参考

• https://github.com/golang/time
• pkg.go.dev/golang.org/x/time/rate
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/100594314
• https://segmentfault.com/a/1190000023033365
• https://www.cyhone.com/articles/usage-of-golang-rate/
• https://www.cyhone.com/articles/analysis-of-uber-go-ratelimit
• uber ratelimit vs go time/rate demo
• uber-go ratelimit