4种常见的限流算法

限流算法

1、固定窗口

含义： 在一个固定长度的时间窗口内限制请求数量，每来一个请求，请求次数加一，如果请求数量超过最大限制，就拒绝该请求
优点： 实现简单，容易理解。
缺点： ①限流不够平滑。例如：限流是每秒3个，在第一毫秒发送了3个请求，达到限流，窗口剩余时间的请求都将会被拒绝，体验不好。
②无法处理窗口边界问题。因为是在某个时间窗口内进行流量控制，所以可能会出现窗口边界效应，即在时间窗口的边界处可能会有大量的请求被允许通过，从而导致突发流量

public class FixWindowLimiter {

    /**
     * 每个窗口的最大请求数量
     */
    public static long threshold = 10;
    /**
     * 窗口大小，1000ms
     */
    public static long windowUnit = 1000;
    /**
     * 窗口内的当前请求数量
     */
    public static long count = 0;
    /**
     * 窗口的开始时间
     */
    public static long lastTime = 0;

    /**
     * 限流方法，返回true表示通过
     */
    public boolean limit() {
        // 获取系统当前时间
        long currentTime = System.currentTimeMillis();
        // 判断是否在当前时间窗口内，如果不在就开启一个新的时间窗口
        if (currentTime - lastTime > windowUnit) {
            // 计数器清零
            count = 0;
            // 开启新的时间窗口
            lastTime = currentTime;
        }
        // 判断是否超过最大请求量
        if (count < threshold) {
            count++;
            return true;
        }
        return false;
    }

}

2、滑动窗口

定义：每来一个请求，就向后推一个时间窗口，计算这个窗口内的请求数量。如果请求数量超过限制就拒绝请求，否则就处理请求，并记录请求的时间戳。另外还需要一个任务清理过期的时间戳。
优点： 解决了固定窗口算法的窗口边界问题，避免突发流量压垮服务器。
缺点： 还是存在限流不够平滑的问题

public class SlidingWindowLimiter {

    /**
     * 每个窗口的最大请求数量
     */
    public static long threshold = 10;
    /**
     * 窗口大小，1000ms
     */
    public static long windowUnit = 1000;
    /**
     * 请求集合，用来存储窗口内的请求数量
     */
    public static List<Long> requestList = new ArrayList<>();

    /**
     * 限流方法，返回true表示通过
     */
    public boolean limit() {
        // 获取系统当前时间
        long currentTime = System.currentTimeMillis();
        // 统计当前窗口内，有效的请求数量
        int sizeOfValid = this.sizeOfValid(currentTime);
        // 判断是否超过最大请求数量
        if (sizeOfValid < threshold) {
            // 把当前请求添加到请求集合里
            requestList.add(currentTime);
            return true;
        }
        return false;
    }

    /**
     * 统计当前窗口内，有效的请求数量
     */
    private int sizeOfValid(long currentTime) {
        int sizeOfValid = 0;
        for (Long requestTime : requestList) {
            // 判断是否在当前时间窗口内
            if (currentTime - requestTime <= windowUnit) {
                sizeOfValid++;
            }
        }
        return sizeOfValid;
    }

    /**
     * 清理过期的请求（单独启动一个线程处理）
     */
    private void clean() {
        // 判断是否超出当前时间窗口内
        requestList.removeIf(requestTime -> System.currentTimeMillis() - requestTime > windowUnit);
    }

}

3、漏桶算法

定义：一个固定容量的漏桶，按照固定速率出水（处理请求）；当流入水（请求数量）的速度过大会直接溢出（请求数量超过限制则直接拒绝）。桶里的水（请求）不够则无法出水（桶内没有请求则不处理）
优点：
①平滑流量。由于漏桶算法以固定的速率处理请求，可以有效地平滑和整形流量，避免流量的突发和波动（类似于消息队列的削峰填谷的作用）。
②防止过载。当流入的请求超过桶的容量时，可以直接丢弃请求，防止系统过载。
缺点：
①无法处理突发流量：由于漏桶的出口速度是固定的，无法处理突发流量。例如，即使在流量较小的时候，也无法以更快的速度处理请求。
②可能会丢失数据：如果入口流量过大，超过了桶的容量，那么就需要丢弃部分请求。在一些不能接受丢失请求的场景中，这可能是一个问题。
③不适合速率变化大的场景

public class LeakyBucketLimiter {

    /**
     * 桶的最大容量
     */
    public static long threshold = 10;
    /**
     * 桶内当前水量
     */
    public static long count = 0;
    /**
     * 漏水速率（每秒5次）
     */
    public static long leakRate = 5;
    /**
     * 上次漏水时间
     */
    public static long lastLeakTime = System.currentTimeMillis();

    /**
     * 限流方法，返回true表示通过
     */
    public boolean limit() {
        // 调用漏水方法
        this.leak();
        // 判断是否超过最大请求数量
        if (count < threshold) {
            count++;
            return true;
        }
        return false;
    }

    /**
     * 漏水方法，计算并更新这段时间内漏水量
     */
    private void leak() {
        // 获取系统当前时间
        long currentTime = System.currentTimeMillis();
        // 计算这段时间内，需要流出的水量
        long leakWater = (currentTime - lastLeakTime) * leakRate / 1000;
        count = Math.max(count - leakWater, 0);
        lastLeakTime = currentTime;
    }

}

4、令牌桶

在这里插入图片描述

定义： 统以固定的速率向桶中添加令牌；当有请求到来时，会尝试从桶中移除一个令牌，如果桶中有足够的令牌，则请求可以被处理或数据包可以被发送；
如果桶中没有令牌，那么请求将被拒绝；桶中的令牌数不能超过桶的容量，如果新生成的令牌超过了桶的容量，那么新的令牌会被丢弃
令牌桶算法的一个重要特性是，它能够应对突发流量。当桶中有足够的令牌时，可以一次性处理多个请求，这对于需要处理突发流量的应用场景非常有用
优点：
①可以处理突发流量：令牌桶算法可以处理突发流量。当桶满时，能够以最大速度处理请求。这对于需要处理突发流量的应用场景非常有用。
②限制平均速率：在长期运行中，数据的传输率会被限制在预定义的平均速率（即生成令牌的速率）。
③灵活性：与漏桶算法相比，令牌桶算法提供了更大的灵活性。例如，可以动态地调整生成令牌的速率。
缺点：
①可能导致过载：如果令牌产生的速度过快，可能会导致大量的突发流量，这可能会使网络或服务过载。
②需要存储空间：令牌桶需要一定的存储空间来保存令牌，可能会导致内存资源的浪费。
③实现稍复杂：相比于计数器算法，令牌桶算法的实现稍微复杂一些

public class TokenBucketLimiter {

    /**
     * 桶的最大容量
     */
    public static long threshold = 10;
    /**
     * 桶内当前的令牌数量
     */
    public static long count = 0;
    /**
     * 令牌生成速率（每秒5次）
     */
    public static long tokenRate = 5;
    /**
     * 上次生成令牌的时间
     */
    public static long lastRefillTime = System.currentTimeMillis();

    /**
     * 限流方法，返回true表示通过
     */
    public boolean limit() {
        // 调用生成令牌方法
        this.refillTokens();
        // 判断桶内是否还有令牌
        if (count > 0) {
            count--;
            return true;
        }
        return false;
    }

    /**
     * 生成令牌方法，计算并更新这段时间内生成的令牌数量
     */
    private void refillTokens() {
        long currentTime = System.currentTimeMillis();
        // 计算这段时间内，需要生成的令牌数量
        long refillTokens = (currentTime - lastRefillTime) * tokenRate / 1000;
        count = Math.min(count + refillTokens, threshold);
        lastRefillTime = currentTime;
    }

}