一、基础概念

1.什么是服务限流？

限流在日常生活中也很常见，比如节假日你去一个旅游景点，为了不把景点撑爆，管理部门通常会在外面设置拦截，限制景点的进入人数（等有人出来之后，再放新的人进去）。

对应到计算机中，限流是从用户访问压力的角度来考虑如何应对故障，保护系统不会在过载的情况下出现问题，这就就需要限流。

限流只允许系统能够承受的访问量进来，超出系统访问能力的请求将被丢弃。比如要搞活动，秒杀等，通常都会限流。

2.限流的目的

限流主要是有四个目的。

为了向用户承诺 SLA。我们保证我们的系统在某个速度下的响应时间以及可用性。
同时，也可以用来阻止在多租户的情况下，某一用户把资源耗尽而让所有的用户都无法访问的问题。
为了应对突发的流量。
节约成本。我们不会为了一个不常见的尖峰来把我们的系统扩容到最大的尺寸。而是在有限的资源下能够承受比较高的流量。

3.限流的策略

说到限流，有个关键问题就是：你根据什么策略进行限制？？

限流一般需要结合容量规划和压测来进行。当外部请求接近或者达到系统的最大阈值时，触发限流，采取其他的手段进行降级，保护系统不被压垮。常见的降级策略包括延迟处理、拒绝服务、随机拒绝等。

限流的目的是通过对并发访问进行限速，相关的策略一般是，一旦达到限制的速率，那么就会触发相应的限流行为。一般来说，触发的限流行为如下。

拒绝服务。把多出来的请求拒绝掉。一般来说，好的限流系统在受到流量暴增时，会统计当前哪个客户端来的请求最多，直接拒掉这个客户端，这种行为可以把一些不正常的或者是带有恶意的高并发访问挡在门外。
服务降级。关闭或是把后端服务做降级处理。这样可以让服务有足够的资源来处理更多的请求。降级有很多方式，一种是把一些不重要的服务给停掉，把 CPU、内存或是数据的资源让给更重要的功能；一种是不再返回全量数据，只返回部分数据。

因为全量数据需要做 SQL Join 操作，部分的数据则不需要，所以可以让 SQL 执行更快，还有最快的一种是直接返回预设的缓存，以牺牲一致性的方式来获得更大的性能吞吐。
特权请求。所谓特权请求的意思是，资源不够了，我只能把有限的资源分给重要的用户，比如：分给权利更高的 VIP 用户。在多租户系统下，限流的时候应该保大客户的，所以大客户有特权可以优先处理，而其它的非特权用户就得让路了。
延时处理。在这种情况下，一般会有一个队列来缓冲大量的请求，这个队列如果满了，那么就只能拒绝用户了，如果这个队列中的任务超时了，也要返回系统繁忙的错误了。使用缓冲队列只是为了减缓压力，一般用于应对短暂的峰刺请求。
弹性伸缩。动用自动化运维的方式对相应的服务做自动化的伸缩。这个需要一个应用性能的监控系统，能够感知到目前最繁忙的 TOP 5 的服务是哪几个。

然后去伸缩它们，还需要一个自动化的发布、部署和服务注册的运维系统，而且还要快，越快越好。否则，系统会被压死掉了。当然，如果是数据库的压力过大，弹性伸缩应用是没什么用的，这个时候还是应该限流。

二、限流的架构设计

我们在一些系统中都可以看到这样的设计，比如，我们的数据库访问的连接池，还有我们的线程池，还有 Nginx 下的用于限制瞬时并发连接数的 limit_conn 模块，限制每秒平均速率的 limit_req 模块，还有限制 MQ 的生产速，等等。

在设计上，我们还要有以下的考量。

限流应该是在架构的早期考虑。当架构形成后，限流不是很容易加入。
限流模块性能必须好，而且对流量的变化也是非常灵敏的，否则太过迟钝的限流，系统早因为过载而挂掉了。
限流应该有个手动的开关，这样在应急的时候，可以手动操作。
当限流发生时，应该有个监控事件通知。让我们知道有限流事件发生，这样，运维人员可以及时跟进。而且还可以自动化触发扩容或降级，以缓解系统压力。
当限流发生时，对于拒掉的请求，我们应该返回一个特定的限流错误码。这样，可以和其它错误区分开来。而客户端看到限流，可以调整发送速度，或是走重试机制。
限流应该让后端的服务感知到。限流发生时，我们应该在协议头中塞进一个标识，比如 HTTP Header 中，放入一个限流的级别，告诉后端服务目前正在限流中。这样，后端服务可以根据这个标识决定是否做降级。

1.限流的核心思想

限流一般都是系统内实现的，常见的限流方式可以分为两类：基于请求限流和基于资源限流。

1.基于请求限流

基于请求限流指从外部访问的请求角度考虑限流，常见的方式有：限制总量、限制时间量。

1.限制总量

限制总量的方式是限制某个指标的累积上限，常见的是限制当前系统服务的用户总量，例如某个直播间限制总用户数上限为 100 万，超过 100 万后新的用户无法进入；某个抢购活动商品数量只有 100 个，限制参与抢购的用户上限为 1 万个，1 万以后的用户直接拒绝。

2.限制时间量

限制时间量指限制一段时间内某个指标的上限，例如，1 分钟内只允许 10000 个用户访问，每秒请求峰值最高为 10 万。

无论是限制总量还是限制时间量，共同的特点都是实现简单，但是当达到阀值后直接抛弃请求未免过于暴力，可以采用延时处理的机制，如设计一个延时队列进行延时处理并返回限流错误码，并提示用户系统繁忙中，不要在进行请求了或者提示收到了请求请稍后查看结果等，避免延时队列撑爆。

在实践中面临的主要问题还有比较难以找到合适的阈值，例如系统设定了 1 分钟 10000 个用户，但实际上 6000 个用户的时候系统就扛不住了；也可能达到 1 分钟 10000 用户后，其实系统压力还不大，但此时已经开始丢弃用户访问了。

即使找到了合适的阈值，基于请求限流还面临硬件相关的问题。例如一台 32 核的机器和 64 核的机器处理能力差别很大，阈值是不同的，可能有的技术人员以为简单根据硬件指标进行数学运算就可以得出来，实际上这样是不可行的，64 核的机器比 32 核的机器，业务处理性能并不是 2 倍的关系，可能是 1.5 倍，甚至可能是 1.1 倍。

为了找到合理的阈值，通常情况下可以采用性能压测来确定阈值，但性能压测也存在覆盖场景有限的问题，可能出现某个性能压测没有覆盖的功能导致系统压力很大；另外一种方式是逐步优化，即：先设定一个阈值然后上线观察运行情况，发现不合理就调整阈值。

基于上述的分析，根据阈值来限制访问量的方式更多的适应于业务功能比较简单的系统，例如负载均衡系统、网关系统、抢购系统等。

2.基于资源限流

基于请求限流是从系统外部考虑的，而基于资源限流是从系统内部考虑的，即：找到系统内部影响性能的关键资源，对其使用上限进行限制。常见的内部资源有：连接数、文件句柄、线程数、请求队列等。

例如，采用 Netty 来实现服务器，每个进来的请求都先放入一个队列，业务线程再从队列读取请求进行处理，队列长度最大值为 10000，队列满了就拒绝后面的请求；

也可以根据 CPU 的负载或者占用率进行限流，当 CPU 的占用率超过 80% 的时候就开始拒绝新的请求。

基于资源限流相比基于请求限流能够更加有效地反映当前系统的压力，但实践中设计也面临两个主要的难点：如何确定关键资源，如何确定关键资源的阈值。通常情况下，这也是一个逐步调优的过程，即：设计的时候先根据推断选择某个关键资源和阈值，然后测试验证，再上线观察，如果发现不合理，再进行优化。

2.限流的核心算法

1.计数器方式

最简单的限流算法就是维护一个计数器 Counter，当一个请求来时，就做加一操作，当一个请求处理完后就做减一操作。如果这个 Counter 大于某个数了（我们设定的限流阈值），那么就开始拒绝请求以保护系统的负载了。通常这个计数器 Counter可以基于进程内实现，也可以基于三方存储如redis实现。

1.窗口计数法

一般计数器的实现方式还有窗口计数法，他的实现逻辑如下

1、将时间划分为固定的窗口大小，例如1s
2、在窗口时间段内，每来一个请求，对计数器加1。
3、当计数器达到设定限制后，该窗口时间内的之后的请求都被丢弃处理或者延迟处理
4、该窗口时间结束后，计数器清零，从新开始计数。

这个算法的优点是足够的简单粗暴。但是他的缺点是：如果后500ms压力很大，则没法解决后面500ms的压力问题。

2.滑动窗口计数法

将时间划分为细粒度的区间如100ms，每个区间维持一个计数器，每进入一个请求则将计数器加一。
多个区间组成一个时间窗口，每流逝一个区间时间后，则抛弃最老的一个区间，纳入新区间。
若当前窗口的区间计数器总和超过设定的限制数量，则本窗口内的后续请求都被丢弃。

2.队列算法

在这个算法下，请求的速度可以是波动的，而处理的速度则是非常均速的。这个算法其实有点像一个 FIFO 的算法。

在上面这个 FIFO 的队列上，我们可以扩展出一些别的玩法。

一个是有优先级的队列，处理时先处理高优先级的队列，然后再处理低优先级的队列。如下图所示，只有高优先级的队列被处理完成后，才会处理低优先级的队列。

有优先级的队列可能会导致低优先级队列长时间得不到处理。为了避免低优先级的队列被饿死，一般来说是分配不同比例的处理时间到不同的队列上，于是我们有了带权重的队列。

如下图所示。有三个队列的权重分布是 3:2:1，这意味着我们需要在权重为 3 的这个队列上处理 3 个请求后，再去权重为 2 的队列上处理 2 个请求，最后再去权重为 1 的队列上处理 1 个请求，如此反复。

队列流控是以队列的的方式来处理请求。如果处理过慢，那么就会导致队列满，而开始触发限流。

但是，这样的算法需要用队列长度来控制流量，在配置上比较难操作。如果队列过长，导致后端服务在队列没有满时就挂掉了。一般来说，这样的模型不能做 push，而是 pull 方式会好一些。

排队算法的应用实践

排队实际上是限流的一个变种，限流是直接拒绝用户，排队是让用户等待一段时间，全世界最有名的排队当属 12306 网站排队了。排队虽然没有直接拒绝用户，但用户等了很长时间后进入系统，体验并不一定比限流好。

由于排队需要临时缓存大量的业务请求，单个系统内部无法缓存这么多数据，一般情况下，排队需要用独立的系统去实现，例如使用 Kafka 这类消息队列来缓存用户请求。

下面是 1 号店的“双 11”秒杀排队系统架构

其基本实现摘录如下：

【排队模块】
负责接收用户的抢购请求，将请求以先入先出的方式保存下来。每一个参加秒杀活动的商品保存一个队列，队列的大小可以根据参与秒杀的商品数量（或加点余量）自行定义。

【调度模块】
负责排队模块到服务模块的动态调度，不断检查服务模块，一旦处理能力有空闲，就从排队队列头上把用户访问请求调入服务模块，并负责向服务模块分发请求。这里调度模块扮演一个中介的角色，但不只是传递请求而已，它还担负着调节系统处理能力的重任。我们可以根据服务模块的实际处理能力，动态调节向排队系统拉取请求的速度。

【服务模块】
负责调用真正业务来处理服务，并返回处理结果，调用排队模块的接口回写业务处理结果。

3.漏斗算法 Leaky Bucket

漏斗算法可以参看 Wikipedia 的相关词条 Leaky Bucket。

下图是一个漏斗算法的示意图。

我们可以看到，就像一个漏斗一样，进来的水量就好像访问流量一样，而出去的水量就像是我们的系统处理请求一样。当访问流量过大时这个漏斗中就会积水，如果水太多了就会溢出。

一般来说，这个“漏斗”是用一个队列来实现的，当请求过多时，队列就会开始积压请求，如果队列满了，就会开拒绝请求。很多系统都有这样的设计，比如 TCP。当请求的数量过多时，就会有一个 sync backlog 的队列来缓冲请求，或是 TCP 的滑动窗口也是用于流控的队列。

我们可以看到，漏斗算法其实就是在队列请求中加上一个限流器，来让 Processor 以一个均匀的速度处理请求。

如果外部请求超出当前阈值，则会在容器里积蓄，一直到溢出，系统并不关心溢出的流量。
从出口处限制请求速率即按照一定的速率去取消息，并不存在计数器法的临界问题，请求曲线始终是平滑的。

无法应对突发流量，相当于一个空桶+固定处理线程。

4.令牌桶算法 Token Bucket

令牌桶算法的设计思想

假设一个大小恒定的桶，这个桶的容量和设定的阈值有关，桶里放着很多令牌，通过一个
固定的速率，往里边放入令牌，如果桶满了，就把令牌丢掉，最后桶中可以保存的最大令牌数永远不会超过桶的大小。当有请求进入时，就尝试从桶里取走一个令牌，如果桶里是空的，那么这个请求就会被拒绝。

此处想强调的是，令牌桶算法针对的是限制“速率“。至于其他限制策略，比如限制总数，限制某个业务量的count值，则要具体业务场景具体分析。

关于令牌桶算法，主要是有一个中间人。在一个桶内按照一定的速率放入一些 token，然后，处理程序要处理请求时，需要拿到 token，才能处理；如果拿不到，则不处理。

下面这个图很清楚地说明了这个算法。

从理论上来说，令牌桶的算法和漏斗算法不一样的是，漏斗算法中，处理请求是以一个常量和恒定的速度处理的，而令牌桶算法则是在流量小的时候“攒钱”，流量大的时候，可以快速处理，当流量大时，可以快速将队列里面的请求消费掉，去消费能力取决于令牌的投放速率。比如队列里面堆积了100个请求，漏斗算法可能每次均匀处理10个请求，但令牌桶的算法取决于当前投放的令牌数，如果当前令牌桶已经堆积了50个令牌，就会将队列里的50个请求直接发送到后端服务，然后继续堆积令牌数。

然而，我们可能会问，Processor 的处理速度因为有队列的存在，所以其总是能以最大处理能力来处理请求，这也是我们所希望的方式。

因此，令牌桶和漏斗都是受制于 Processor 的最大处理能力。无论令牌桶里有多少令牌，也无论队列中还有多少请求。总之，Processor 在大流量来临时总是按照自己最大的处理能力来处理的。

但是，试想一下，如果我们的 Processor 只是一个非常简单的任务分配器，比如像 Nginx 这样的基本没有什么业务逻辑的网关，那么它的处理速度一定很快，不会有什么瓶颈，而其用来把请求转发给后端服务，那么在这种情况下，这两个算法就有不一样的情况了。

漏斗算法会以一个稳定的速度转发，而令牌桶算法平时流量不大时在“攒钱”，流量大时，可以一次发出队列里有的请求，而后就受到令牌桶的流控限制。

另外，令牌桶还可能做成第三方的一个服务，这样可以在分布式的系统中对全局进行流控，这也是一个很好的方式。

3.限流的常见解决方案

1.动态限流

上面的算法有个不好的地方，就是需要设置一个确定的限流值。这就要求我们每次发布服务时都做相应的性能测试，找到系统最大的性能值。

当然，性能测试并不是很容易做的。有关性能测试的方法请参看我在 CoolShell 上的这篇文章《性能测试应该怎么做》。虽然性能测试比较不容易，但是还是应该要做的。

然而，在很多时候，我们却并不知道这个限流值，或是很难给出一个合适的值。其基本会有如下的一些因素：

实际情况下，很多服务会依赖于数据库。所以，不同的用户请求，会对不同的数据集进行操作。就算是相同的请求，可能数据集也不一样，比如，现在很多应用都会有一个时间线 Feed 流，不同的用户关心的主题人人不一样，数据也不一样。

而且数据库的数据是在不断变化的，可能前两天性能还行，因为数据量增加导致性能变差。在这种情况下，我们很难给出一个确定的一成不变的值，因为关系型数据库对于同一条 SQL 语句的执行时间其实是不可预测的（NoSQL 的就比 RDBMS 的可预测性要好）。
不同的 API 有不同的性能。我们要在线上为每一个 API 配置不同的限流值，这点太难配置，也很难管理。
而且，现在的服务都是能自动化伸缩的，不同大小的集群的性能也不一样，所以，在自动化伸缩的情况下，我们要动态地调整限流的阈值，这点太难做到了。

基于上述这些原因，我们限流的值是很难被静态地设置成恒定的一个值。

我们想使用一种动态限流的方式。这种方式，不再设定一个特定的流控值，而是能够动态地感知系统的压力来自动化地限流。

这方面设计的典范是 TCP 协议的拥塞控制的算法。TCP 使用 RTT - Round Trip Time 来探测网络的延时和性能，从而设定相应的“滑动窗口”的大小，以让发送的速率和网络的性能相匹配。这个算法是非常精妙的，我们完全可以借鉴在我们的流控技术中。

我们记录下每次调用后端请求的响应时间，然后在一个时间区间内（比如，过去 10 秒）的请求计算一个响应时间的 P90 或 P99 值，也就是把过去 10 秒内的请求的响应时间排个序，然后看 90% 或 99% 的位置是多少。这样，我们就知道有多少请求大于某个响应时间。如果这个 P90 或 P99 超过我们设定的阈值，那么我们就自动限流。

这个设计中有几个要点。

你需要计算的一定时间内的 P90 或 P99。在有大量请求的情况下，这个非常地耗内存也非常地耗 CPU，因为需要对大量的数据进行排序。

解决方案有两种，一种是不记录所有的请求，采样就好了，另一种是使用一个叫蓄水池的近似算法。关于这个算法这里我不就多说了，《编程珠玑》里讲过这个算法，你也可以自行 Google，英文叫 Reservoir Sampling。
这种动态流控需要像 TCP 那样，你需要记录一个当前的 QPS. 如果发现后端的 P90/P99 响应太慢，那么就可以把这个 QPS 减半，然后像 TCP 一样走慢启动的方式，直接到又开始变慢，然后减去 1/4 的 QPS，再慢启动，然后再减去 1/8 的 QPS……

这个过程有点像个阻尼运行的过程，然后整个限流的流量会在一个值上下做小幅振动。这么做的目的是，如果后端扩容伸缩后性能变好，系统会自动适应后端的最大性能。
这种动态限流的方式实现起来并不容易。大家可以看一下 TCP 的算法。TCP 相关的一些算法，我写在了 CoolShell 上的《TCP 的那些事（下）》这篇文章中。你可以用来做参考来实现。

在《左耳听风》的作者创业中的 Ease Gateway 的产品中实现了这个算法。