SpringBoot 如何进行限流？老鸟们都这么玩的！
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2022-01-13 08:49
昨天的文章《为什么微服务一定要有API网关？》，其中提到了一句限流。
今天这篇文章来聊聊在SpringBoot项目中如何对接口进行限流，有哪些常见的限流算法，如何优雅的进行限流。
首先就让我们来看看为什么需要对接口进行限流？
为什么要进行限流？
因为互联网系统通常都要面对大并发大流量的请求，在突发情况下（最常见的场景就是秒杀、抢购），瞬时大流量会直接将系统打垮，无法对外提供服务。那为了防止出现这种情况最常见的解决方案之一就是限流，当请求达到一定的并发数或速率，就进行等待、排队、降级、拒绝服务等。
例如，12306购票系统，在面对高并发的情况下，就是采用了限流。在流量高峰期间经常会出现提示语；"当前排队人数较多，请稍后再试！"
什么是限流？有哪些限流算法？
限流是对某一时间窗口内的请求数进行限制，保持系统的可用性和稳定性，防止因流量暴增而导致的系统运行缓慢或宕机。
常见的限流算法有三种：
1. 计数器限流
计数器限流算法是最为简单粗暴的解决方案，主要用来限制总并发数，比如数据库连接池大小、线程池大小、接口访问并发数等都是使用计数器算法。
如：使用 AomicInteger 来进行统计当前正在并发执行的次数，如果超过域值就直接拒绝请求，提示系统繁忙。
2. 漏桶算法
漏桶算法思路很简单，我们把水比作是请求，漏桶比作是系统处理能力极限，水先进入到漏桶里，漏桶里的水按一定速率流出，当流出的速率小于流入的速率时，由于漏桶容量有限，后续进入的水直接溢出（拒绝请求），以此实现限流。
3. 令牌桶算法
令牌桶算法的原理也比较简单，我们可以理解成医院的挂号看病，只有拿到号以后才可以进行诊病。
系统会维护一个令牌（token）桶，以一个恒定的速度往桶里放入令牌（token），这时如果有请求进来想要被处理，则需要先从桶里获取一个令牌（token），当桶里没有令牌（token）可取时，则该请求将被拒绝服务。令牌桶算法通过控制桶的容量、发放令牌的速率，来达到对请求的限制。
基于Guava工具类实现限流
Google开源工具包Guava提供了限流工具类RateLimiter，该类基于令牌桶算法实现流量限制，使用十分方便，而且十分高效，实现步骤如下：
第一步：引入guava依赖包
com.google.guava
guava
30.1-jre
第二步：给接口加上限流逻辑
@Slf4j
@RestController
@RequestMapping("/limit")
public class LimitController {
/**
* 限流策略 ：1秒钟2个请求
*/
private final RateLimiter limiter = RateLimiter.create(2.0);
private DateTimeFormatter dtf = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
@GetMapping("/test1")
public String testLimiter() {
//500毫秒内，没拿到令牌，就直接进入服务降级
boolean tryAcquire = limiter.tryAcquire(500, TimeUnit.MILLISECONDS);
if (!tryAcquire) {
log.warn("进入服务降级，时间{}", LocalDateTime.now().format(dtf));
return "当前排队人数较多，请稍后再试！";
}
log.info("获取令牌成功，时间{}", LocalDateTime.now().format(dtf));
return "请求成功";
}
}
以上用到了RateLimiter的2个核心方法：create()、tryAcquire()，以下为详细说明
acquire() 获取一个令牌, 改方法会阻塞直到获取到这一个令牌, 返回值为获取到这个令牌花费的时间 acquire(int permits) 获取指定数量的令牌, 该方法也会阻塞, 返回值为获取到这 N 个令牌花费的时间 tryAcquire() 判断时候能获取到令牌, 如果不能获取立即返回 false tryAcquire(int permits) 获取指定数量的令牌, 如果不能获取立即返回 false tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit) 判断能否在指定时间内获取到令牌, 如果不能获取立即返回 false tryAcquire(int permits, long timeout, TimeUnit unit) 同上
第三步：体验效果
通过访问测试地址：http://127.0.0.1:8080/limit/test1，反复刷新并观察后端日志
WARN LimitController:35 - 进入服务降级，时间2021-09-25 21:39:37
WARN LimitController:35 - 进入服务降级，时间2021-09-25 21:39:37
INFO LimitController:39 - 获取令牌成功，时间2021-09-25 21:39:37
WARN LimitController:35 - 进入服务降级，时间2021-09-25 21:39:37
WARN LimitController:35 - 进入服务降级，时间2021-09-25 21:39:37
INFO LimitController:39 - 获取令牌成功，时间2021-09-25 21:39:37
WARN LimitController:35 - 进入服务降级，时间2021-09-25 21:39:38
INFO LimitController:39 - 获取令牌成功，时间2021-09-25 21:39:38
WARN LimitController:35 - 进入服务降级，时间2021-09-25 21:39:38
INFO LimitController:39 - 获取令牌成功，时间2021-09-25 21:39:38
从以上日志可以看出，1秒钟内只有2次成功，其他都失败降级了，说明我们已经成功给接口加上了限流功能。
当然了，我们在实际开发中并不能直接这样用。至于原因嘛，你想呀，你每个接口都需要手动给其加上tryAcquire()，业务代码和限流代码混在一起，而且明显违背了DRY原则，代码冗余，重复劳动。代码评审时肯定会被老鸟们给嘲笑一番，啥破玩意儿！
所以，我们这里需要想办法将其优化 - 借助自定义注解+AOP实现接口限流。
基于AOP实现接口限流
基于AOP的实现方式也非常简单，实现过程如下：
第一步：加入AOP依赖
<dependency>
<groupId>org.springframework.bootgroupId>
<artifactId>spring-boot-starter-aopartifactId>
dependency>
第二步：自定义限流注解
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target({ElementType.METHOD})
@Documented
public @interface Limit {
/**
* 资源的key,唯一
* 作用：不同的接口，不同的流量控制
*/
String key() default "";
/**
* 最多的访问限制次数
*/
double permitsPerSecond () ;
/**
* 获取令牌最大等待时间
*/
long timeout();
/**
* 获取令牌最大等待时间,单位(例:分钟/秒/毫秒) 默认:毫秒
*/
TimeUnit timeunit() default TimeUnit.MILLISECONDS;
/**
* 得不到令牌的提示语
*/
String msg() default "系统繁忙,请稍后再试.";
}
第三步：使用AOP切面拦截限流注解
@Slf4j
@Aspect
@Component
public class LimitAop {
/**
* 不同的接口，不同的流量控制
* map的key为 Limiter.key
*/
private final Map limitMap = Maps.newConcurrentMap();
@Around("@annotation(com.jianzh5.blog.limit.Limit)")
public Object around(ProceedingJoinPoint joinPoint) throws Throwable{
MethodSignature signature = (MethodSignature) joinPoint.getSignature();
Method method = signature.getMethod();
//拿limit的注解
Limit limit = method.getAnnotation(Limit.class);
if (limit != null) {
//key作用：不同的接口，不同的流量控制
String key=limit.key();
RateLimiter rateLimiter = null;
//验证缓存是否有命中key
if (!limitMap.containsKey(key)) {
// 创建令牌桶
rateLimiter = RateLimiter.create(limit.permitsPerSecond());
limitMap.put(key, rateLimiter);
log.info("新建了令牌桶={}，容量={}",key,limit.permitsPerSecond());
}
rateLimiter = limitMap.get(key);
// 拿令牌
boolean acquire = rateLimiter.tryAcquire(limit.timeout(), limit.timeunit());
// 拿不到命令，直接返回异常提示
if (!acquire) {
log.debug("令牌桶={}，获取令牌失败",key);
this.responseFail(limit.msg());
return null;
}
}
return joinPoint.proceed();
}
/**
* 直接向前端抛出异常
* @param msg 提示信息
*/
private void responseFail(String msg) {
HttpServletResponse response=((ServletRequestAttributes) RequestContextHolder.getRequestAttributes()).getResponse();
ResultData 第四步：给需要限流的接口加上注解
@Slf4j
@RestController
@RequestMapping("/limit")
public class LimitController {
@GetMapping("/test2")
@Limit(key = "limit2", permitsPerSecond = 1, timeout = 500, timeunit = TimeUnit.MILLISECONDS,msg = "当前排队人数较多，请稍后再试！")
public String limit2() {
log.info("令牌桶limit2获取令牌成功");
return "ok";
}
@GetMapping("/test3")
@Limit(key = "limit3", permitsPerSecond = 2, timeout = 500, timeunit = TimeUnit.MILLISECONDS,msg = "系统繁忙，请稍后再试！")
public String limit3() {
log.info("令牌桶limit3获取令牌成功");
return "ok";
}
}
第五步：体验效果
通过访问测试地址：http://127.0.0.1:8080/limit/test2，反复刷新并观察输出结果：
正常响应时：
{"status":100,"message":"操作成功","data":"ok","timestamp":1632579377104}
触发限流时：
{"status":2001,"message":"系统繁忙，请稍后再试！","data":null,"timestamp":1632579332177}
通过观察得之，基于自定义注解同样实现了接口限流的效果。
小结
一般在系统上线时我们通过对系统压测可以评估出系统的性能阀值，然后给接口加上合理的限流参数，防止出现大流量请求时直接压垮系统。今天我们介绍了几种常见的限流算法（重点关注令牌桶算法），基于Guava工具类实现了接口限流并利用AOP完成了对限流代码的优化。
在完成优化后业务代码和限流代码解耦，开发人员只要一个注解，不用关心限流的实现逻辑，而且减少了代码冗余大大提高了代码可读性，代码评审时谁还敢再笑话你？
好了，今天的文章到此就结束了。