【高併發】億級流量場景下如何為HTTP介面限流？看完我懂了！！

冰河團隊發表於2020-07-30
HTTP

寫在前面

在網際網路應用中，高併發系統會面臨一個重大的挑戰，那就是大量流高併發訪問，比如：天貓的雙十一、京東618、秒殺、搶購促銷等，這些都是典型的大流量高併發場景。關於秒殺，小夥伴們可以參見我的另一篇文章《【高併發】高併發秒殺系統架構解密，不是所有的秒殺都是秒殺！》

關於【冰河技術】微信公眾號，解鎖更多【高併發】專題文章。

注意：由於原文篇幅比較長，所以被拆分為：理論、演算法、實戰（HTTP介面實戰+分散式限流實戰）三大部分。

理論篇：《【高併發】如何實現億級流量下的分散式限流？這些理論你必須掌握！！》

演算法篇：《【高併發】如何實現億級流量下的分散式限流？這些演算法你必須掌握！！》

專案原始碼已提交到github：https://github.com/sunshinelyz/mykit-ratelimiter

HTTP介面限流實戰

這裡，我們實現Web介面限流，具體方式為：使用自定義註解封裝基於令牌桶限流演算法實現介面限流。

不使用註解實現介面限流

搭建專案

這裡，我們使用SpringBoot專案來搭建Http介面限流專案，SpringBoot專案本質上還是一個Maven專案。所以，小夥伴們可以直接建立一個Maven專案，我這裡的專案名稱為mykit-ratelimiter-test。接下來，在pom.xml檔案中新增如下依賴使專案構建為一個SpringBoot專案。

<parent>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
        <version>2.2.6.RELEASE</version>
    </parent>

    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <groupId>io.mykit.limiter</groupId>
    <artifactId>mykit-ratelimiter-test</artifactId>
    <version>1.0.0-SNAPSHOT</version>
    <packaging>jar</packaging>
    <name>mykit-ratelimiter-test</name>

    <properties>
        <guava.version>28.2-jre</guava.version>
    </properties>

    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
            <exclusions>
                <exclusion>
                    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                    <artifactId>spring-boot-starter-tomcat</artifactId>
                </exclusion>
                <exclusion>
                    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                    <artifactId>spring-boot-starter-logging</artifactId>
                </exclusion>
            </exclusions>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-undertow</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-configuration-processor</artifactId>
            <optional>true</optional>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
        </dependency>
        
        <dependency>
            <groupId>org.aspectj</groupId>
            <artifactId>aspectjweaver</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-aop</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>com.google.guava</groupId>
            <artifactId>guava</artifactId>
            <version>${guava.version}</version>
        </dependency>
    </dependencies>

    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
                <version>3.1</version><!--$NO-MVN-MAN-VER$-->
                <configuration>
                    <source>${java.version}</source>
                    <target>${java.version}</target>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

可以看到，我在專案中除了引用了SpringBoot相關的Jar包外，還引用了guava框架，版本為28.2-jre。

建立核心類

這裡，我主要是模擬一個支付介面的限流場景。首先，我們定義一個PayService介面和MessageService介面。PayService介面主要用於模擬後續的支付業務，MessageService介面模擬傳送訊息。介面的定義分別如下所示。

  • PayService
package io.mykit.limiter.service;
import java.math.BigDecimal;
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 模擬支付
 */
public interface PayService {
    int pay(BigDecimal price);
}
  • MessageService
package io.mykit.limiter.service;
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 模擬傳送訊息服務
 */
public interface MessageService {
    boolean sendMessage(String message);
}

接下來，建立二者的實現類，分別如下。

  • MessageServiceImpl
package io.mykit.limiter.service.impl;
import io.mykit.limiter.service.MessageService;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.stereotype.Service;
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 模擬實現傳送訊息
 */
@Service
public class MessageServiceImpl implements MessageService {
    private final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(MessageServiceImpl.class);
    @Override
    public boolean sendMessage(String message) {
        logger.info("傳送訊息成功===>>" + message);
        return true;
    }
}
  • PayServiceImpl
package io.mykit.limiter.service.impl;
import io.mykit.limiter.service.PayService;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.stereotype.Service;
import java.math.BigDecimal;
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 模擬支付
 */
@Service
public class PayServiceImpl implements PayService {
    private final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(PayServiceImpl.class);
    @Override
    public int pay(BigDecimal price) {
        logger.info("支付成功===>>" + price);
        return 1;
    }
}

由於是模擬支付和傳送訊息，所以，我在具體實現的方法中列印出了相關的日誌，並沒有實現具體的業務邏輯。

接下來，就是建立我們的Controller類PayController，在PayController類的介面pay()方法中使用了限流，每秒鐘向桶中放入2個令牌，並且客戶端從桶中獲取令牌，如果在500毫秒內沒有獲取到令牌的話，我們可以則直接走服務降級處理。

PayController的程式碼如下所示。

package io.mykit.limiter.controller;
import com.google.common.util.concurrent.RateLimiter;
import io.mykit.limiter.service.MessageService;
import io.mykit.limiter.service.PayService;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import java.math.BigDecimal;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 測試介面限流
 */
@RestController
public class PayController {
    private final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(PayController.class);
    /**
     * RateLimiter的create()方法中傳入一個引數，表示以固定的速率2r/s，即以每秒2個令牌的速率向桶中放入令牌
     */
    private RateLimiter rateLimiter = RateLimiter.create(2);

    @Autowired
    private MessageService messageService;
    @Autowired
    private PayService payService;
    @RequestMapping("/boot/pay")
    public String pay(){
        //記錄返回介面
        String result = "";
        //限流處理，客戶端請求從桶中獲取令牌，如果在500毫秒沒有獲取到令牌，則直接走服務降級處理
        boolean tryAcquire = rateLimiter.tryAcquire(500, TimeUnit.MILLISECONDS);
        if (!tryAcquire){
            result = "請求過多，降級處理";
            logger.info(result);
            return result;
        }
        int ret = payService.pay(BigDecimal.valueOf(100.0));
        if(ret > 0){
            result = "支付成功";
            return result;
        }
        result = "支付失敗，再試一次吧...";
        return result;
    }
}

最後，我們來建立mykit-ratelimiter-test專案的核心啟動類，如下所示。

package io.mykit.limiter;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;

/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 專案啟動類
 */
@SpringBootApplication
public class MykitLimiterApplication {

    public static void main(String[] args){
        SpringApplication.run(MykitLimiterApplication.class, args);
    }
}

至此，我們不使用註解方式實現限流的Web應用就基本完成了。

執行專案

專案建立完成後，我們來執行專案，執行SpringBoot專案比較簡單，直接執行MykitLimiterApplication類的main()方法即可。

專案執行成功後，我們在瀏覽器位址列輸入連結：http://localhost:8080/boot/pay。頁面會輸出“支付成功”的字樣，說明專案搭建成功了。如下所示。

此時，我只訪問了一次，並沒有觸發限流。接下來，我們不停的刷瀏覽器，此時，瀏覽器會輸出“支付失敗，再試一次吧...”的字樣，如下所示。

在PayController類中還有一個sendMessage()方法，模擬的是傳送訊息的介面，同樣使用了限流操作，具體程式碼如下所示。

@RequestMapping("/boot/send/message")
public String sendMessage(){
    //記錄返回介面
    String result = "";
    //限流處理，客戶端請求從桶中獲取令牌，如果在500毫秒沒有獲取到令牌，則直接走服務降級處理
    boolean tryAcquire = rateLimiter.tryAcquire(500, TimeUnit.MILLISECONDS);
    if (!tryAcquire){
        result = "請求過多，降級處理";
        logger.info(result);
        return result;
    }
    boolean flag = messageService.sendMessage("恭喜您成長值+1");
    if (flag){
        result = "訊息傳送成功";
        return result;
    }
    result = "訊息傳送失敗，再試一次吧...";
    return result;
}

sendMessage()方法的程式碼邏輯和執行效果與pay()方法相同，我就不再瀏覽器訪問 http://localhost:8080/boot/send/message 地址的訪問效果了，小夥伴們可以自行驗證。

不使用註解實現限流缺點

通過對專案的編寫，我們可以發現，當在專案中對介面進行限流時，不使用註解進行開發，會導致程式碼出現大量冗餘，每個方法中幾乎都要寫一段相同的限流邏輯，程式碼十分冗餘。

如何解決程式碼冗餘的問題呢？我們可以使用自定義註解進行實現。

使用註解實現介面限流

使用自定義註解，我們可以將一些通用的業務邏輯封裝到註解的切面中，在需要新增註解業務邏輯的方法上加上相應的註解即可。針對我們這個限流的例項來說，可以基於自定義註解實現。

實現自定義註解

實現，我們來建立一個自定義註解，如下所示。

package io.mykit.limiter.annotation;
import java.lang.annotation.*;
/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 實現限流的自定義註解
 */
@Target(value = ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
public @interface MyRateLimiter {
    //向令牌桶放入令牌的速率
    double rate();
    //從令牌桶獲取令牌的超時時間
    long timeout() default 0;
}

自定義註解切面實現

接下來，我們還要實現一個切面類MyRateLimiterAspect，如下所示。

package io.mykit.limiter.aspect;

import com.google.common.util.concurrent.RateLimiter;
import io.mykit.limiter.annotation.MyRateLimiter;
import org.aspectj.lang.ProceedingJoinPoint;
import org.aspectj.lang.annotation.Around;
import org.aspectj.lang.annotation.Aspect;
import org.aspectj.lang.annotation.Pointcut;
import org.aspectj.lang.reflect.MethodSignature;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Component;

import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import java.io.IOException;
import java.io.PrintWriter;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 一般限流切面類
 */
@Aspect
@Component
public class MyRateLimiterAspect {

    private RateLimiter rateLimiter = RateLimiter.create(2);

    @Pointcut("execution(public * io.mykit.limiter.controller.*.*(..))")
    public void pointcut(){

    }

    /**
     * 核心切面方法
     */
    @Around("pointcut()")
    public Object process(ProceedingJoinPoint proceedingJoinPoint) throws Throwable{
        MethodSignature signature = (MethodSignature) proceedingJoinPoint.getSignature();

        //使用反射獲取方法上是否存在@MyRateLimiter註解
        MyRateLimiter myRateLimiter = signature.getMethod().getDeclaredAnnotation(MyRateLimiter.class);
        if(myRateLimiter == null){
            //程式正常執行，執行目標方法
            return proceedingJoinPoint.proceed();
        }
        //獲取註解上的引數
        //獲取配置的速率
        double rate = myRateLimiter.rate();
        //獲取客戶端等待令牌的時間
        long timeout = myRateLimiter.timeout();

        //設定限流速率
        rateLimiter.setRate(rate);

        //判斷客戶端獲取令牌是否超時
        boolean tryAcquire = rateLimiter.tryAcquire(timeout, TimeUnit.MILLISECONDS);
        if(!tryAcquire){
            //服務降級
            fullback();
            return null;
        }
        //獲取到令牌，直接執行
        return proceedingJoinPoint.proceed();

    }

    /**
     * 降級處理
     */
    private void fullback() {
        response.setHeader("Content-type", "text/html;charset=UTF-8");
        PrintWriter writer = null;
        try {
            writer =  response.getWriter();
            writer.println("出錯了，重試一次試試？");
            writer.flush();;
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            if(writer != null){
                writer.close();
            }
        }
    }
}

自定義切面的功能比較簡單，我就不細說了，大家有啥問題可以關注【冰河技術】微信公眾號來進行提問。

接下來，我們改造下PayController類中的sendMessage()方法，修改後的方法片段程式碼如下所示。

@MyRateLimiter(rate = 1.0, timeout = 500)
@RequestMapping("/boot/send/message")
public String sendMessage(){
    //記錄返回介面
    String result = "";
    boolean flag = messageService.sendMessage("恭喜您成長值+1");
    if (flag){
        result = "訊息傳送成功";
        return result;
    }
    result = "訊息傳送失敗，再試一次吧...";
    return result;
}

執行部署專案

部署專案比較簡單，只需要執行MykitLimiterApplication類下的main()方法即可。這裡，為了簡單，我們還是從瀏覽器中直接輸入連結地址來進行訪問

效果如下所示。

接下來，我們不斷的重新整理瀏覽器。會出現“訊息傳送失敗，再試一次吧..”的字樣，說明已經觸發限流操作。

基於限流演算法實現限流的缺點

上面介紹的限流方式都只能用於單機部署的環境中，如果將應用部署到多臺伺服器進行分散式、叢集，則上面限流的方式就不適用了，此時，我們需要使用分散式限流。至於在分散式場景下，如何實現限流操作，我們就在下一篇中進行介紹。

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好了，今天就聊到這兒吧！別忘了點個贊，給個在看和轉發，讓更多的人看到，一起學習，一起進步！！

寫在最後

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