架构与思维：熔断限流的一些使用场景

1 前言

在《微服务系列》中，我们讲过很多限流，熔断相关的知识。
老生长谈的一个话题，服务的能力终归是有限的，无论是内存、CPU、线程数都是，如果遇到突如其来的峰量请求，我们怎么友好的使用限流来进行落地，避免整个服务集群的雪崩。

峰量请求主要有两种场景：

1.1 突发高峰照成的服务雪崩

如果你的服务突然遇到持续性的、高频率的、不符合预期的突发流量。你需要检查一下服务是否有被错误调用、恶意攻击，或者下游程序逻辑问题。
这种超出预期的调用经常会造成你的服务响应延迟，请求堆积，甚至服务雪崩。而雪崩会随着调用链向上传递，导致整个服务链的崩溃，对我们的系统造成很大的隐患。

1.2 超出预期值的流量洪峰

如果你的商城或者平台搞活动（类似双11、618），但你又无法有效评估出这个峰值的具象值和持续时间，那么你的服务依然有被打垮的风险。
除非你能做到服务集群弹性伸缩（动态扩缩容）的能力，这个我在后面的云原生系列中会详细说。

如上图，正常量值为1500 QPS，预估模型的量值是2600的QPS，后面发现，来了几波活动，量值增加到 10000，远超过我们服务器的负载。服务一过载，系统就开始出现各种问题，延迟、故障、请求堆积，甚至雪崩。

2 解决方案

2.1 云原生和弹性伸缩

如果你的服务基架构与足够强大，你的服务上云足够的彻底，那么弹性伸缩是最好的办法。类似淘宝、京东、百度APP，都是类似的做法。
kubernetes会根据流量的变化，CPU、内存的曲线过程实时计算需要的服务实例数，然后进行动态扩容，低峰期再还回去。这个要求你的服务上云足够彻底，并且有足够的资源来达成资源扩容的目标。
★关于这块内容笔者后续会有专门的系列来讲解，以及如何在大厂实现落地的过程，这边不展开。

2.2 兜底的限流、熔断

最基本的保障就是能够在服务做一层保护，避免因为过载而造成服务雪崩，导致整个系统不可用.
对超过预期或者承载能力的流量进行限流是比较好的一种办法。所以你在双11、618、抢购、竞拍 等的选择的时候会经常看到这样的词汇：

• 服务正在努力加载中，请稍候！
• 服务/网络错误，请重试！
• 哎呀，服务繁忙，请稍后再试！
  

2.1 应用层面解决方案

2.1.1 常见的限流算法

• 计数限流算法

计数算法是指再一定的时间间隔里，记录请求次数，当时间间隔到期之后，就把计数清零，重新计算。

• 固定窗口限流算法（采样时间窗）

相对于上一个 计数限流，多了个时间窗口的概念，计数器每过一个时间窗口就重置，重新开始计算。

• 滑动窗口限流（记录每个请求到达的时间点）

滑动窗口限流解决固定窗口临界值的问题，可以保证在任意时间窗口内都不会超过阈值。

• 漏桶算法（漏斗池算法）

类似沙漏思维，大家都用过，沙子是匀速流出得。对于漏桶来说，由于它的出水口的速度是恒定的，也就是消化处理请求的速度是恒定的，所以它可以保证服务以恒定的速率来处理请求，

• 令牌桶算法（定速流入）

令牌桶和漏桶的原理类似，只不过漏桶是定速流出，令牌桶是定速流入（即往桶里塞入令牌），每个请求进来，分配一个令牌，只有拿到了令牌才能进入服务器处理，拿不到令牌的就被拒绝了。
因为令牌桶的大小也是有限制的，所以一旦令牌桶满，后续生成的令牌就会被丢弃，拿不到令牌的服务请求就被拒绝了，达到限流的目的。执行原理如下：

2.1.2 相关实现的框架

• Spring Cloud 的 Hystrix
• Sentinel 熔断降级能力
• Google Guava 的 Ratter Limitter

2.1.3 达到限流条件的时候的做法

fallback：返回固定的对象或者执行固定的方法

// 返回固定的对象
{
"timestamp": 1649756501928,
"status": 429,
"message": "Too Many Requests",
}

// 执行固定的处理方法
function  fallBack(Context ctx) {
   // Todo 默认的处理逻辑
}

2.1.4 Web/Mobile/PC/3d

接收到固定的消息结构或者固定的处理结果之后，以友好的方式提示给用户。

• 提示服务正在努力加载中，请稍候！
• 服务/网络错误，请重试！
• 哎呀，服务繁忙，请稍后再试！

2.2 存储层面解决方案

Redis热点数据同时并发请求处理，1000W+请求同时投向后端，如果缓存未建立，直接投向数据库，可能会造成击穿，怎么破？一般有如下解决方法，优劣各异：

• 分布式锁：只允许一个请求线程去访问DB，其他请求被阻塞，这样就避免了很多请求投放到DB上。但是这样吞吐量降低。

• 请求按照队列执行：按照队列顺序执行，避免全部投向数据库。这样还是吞吐量降低。

• 缓存预热：进入数据库的缓存数量会比较少，保证有一部分的数据先做出来。

• 空/默认 初始值：第一个请求进去的时候，创建空初始值或者默认初始值的缓存，并进入数据库查询。查询之后，更新缓存，保证后续的拿到正确的值。而在查询的这个过程中（可能几ms到几十ms），拿到的是默认值或空置，前端做一下友好的提示。这是一种降级的策略，保证仅有1个或者前n个进入数据库。

• 本地缓存：改造web应用服务，在获取到redis缓存后，在web服务本地把热点的数据进行缓存，因为热点的商品不会很多，所以保存在本地缓存中，是没有问题的。这样请求数据时，如果web本地有缓存数据，就直接返回了。本地缓存和服务进程缓存混用的情况。缓存更新会增加额外的负担。
  这里面，空初始值和和分布式锁的结合使用是目前很多大厂的处理方式，如下:
  

• 第一个请求进去的时候，创建空初始值或者默认初始值的缓存

• 后续进来的同类请求会短暂获取到 默认值的缓存信息

• 当第一个请求从数据库查询到结果，立即更新缓存，保证后续的同类请求拿到的是正确的值

• 而第一个请求调用数据库的过程中（可能几ms到几十ms），其他同类请求拿到的是默认值或空值，前端做一下友好的提示

• 这是一种典型的降级策略，保证仅有1个或者前n个进入数据库

3 总结

无论是应用层级还是存储层级，无非是跟前端约定一个规则，返回默认参数或者默认回到方法，让前端以用户友好体验的方式进行降级，保证服务端不至于崩溃。