為了解決固定窗口算法中的臨界問題,讓流量限制更加平滑,產(chǎn)生了滑動窗口算法。該算法將固定窗口中分割出多個小窗口,分別記錄每個小窗口內(nèi)的訪問次數(shù),然后根據(jù)時間將窗口往前滑動并刪除過期的小窗口。
假設(shè)窗口時間還是1分鐘,滑動窗口算法把它劃分為6個小周期,每個小周期是10秒,對應(yīng)滑動窗口被劃分為6個小格子。每隔10秒時間窗口就會往右滑動一格,每個小窗口都有獨(dú)立的計數(shù)器,如果請求是43秒到達(dá)的,40秒到50秒小窗口對應(yīng)的計數(shù)器就會加1。
我們看下滑動窗口是如何解決臨界問題的,假設(shè)1分鐘內(nèi)的限流閥值還是10,50秒到60秒內(nèi)(比如58秒的時候)來了10個請求,落在綠色格子里。時間過了60秒這個點之后又來10個請求,落在紅色格子里。滑動窗口過了60秒這個點后會右移一個小格,當(dāng)前的窗口時間段是10秒到70秒,這個區(qū)域的請求已經(jīng)超過限定的10了,所以紅色格子的請求都會被拒絕。
滑動窗口算法雖然解決了臨界問題,但是一旦到達(dá)限流閾值后,請求都會被直接拒絕。在實際應(yīng)用中我們要的限流效果不是把流量一下子掐斷,而是讓流量平滑地進(jìn)入系統(tǒng)當(dāng)中。
如何更加平滑的限流,我們來看看漏桶算法。漏桶算法的限流原理可以認(rèn)為就是進(jìn)水漏水的過程。請求像水一樣以任意速率注入漏桶,而漏桶會按照固定的速率將水漏掉;當(dāng)進(jìn)水速度超過漏水速度時,漏桶會裝滿,此后進(jìn)入的水會溢出,也就是請求被丟棄。
漏桶算法主要目的是將網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)流量整合成平滑穩(wěn)定的流量,不過由于漏桶對流量的控制過于嚴(yán)格,導(dǎo)致部分場景下不能充分利用系統(tǒng)資源。因為漏桶的漏水速率是固定的,即使在某一時刻下游系統(tǒng)處理能力富余,漏桶也不會允許突發(fā)流量通過。流量突發(fā)時我們希望系統(tǒng)在穩(wěn)定的同時,能盡可能快的處理用戶請求,接下來介紹的令牌桶算法能夠在一定程度上解決流量突發(fā)的問題。
令牌桶算法是對漏桶算法的一種改進(jìn),除了能夠限流外,還允許一定程度的流量突發(fā)。其原理是設(shè)置一個令牌桶,以恒定速率向令牌桶放入令牌,請求到達(dá)時嘗試從令牌桶中拿令牌,只有拿到令牌才能夠放行,否則請求將會被拒絕。
令牌桶具有以下特點:
最后我們對上述四種限流算法進(jìn)行一下簡單的總結(jié)。
固定窗口算法實現(xiàn)簡單,但是流量曲線不夠平滑有突刺現(xiàn)象,在窗口切換時可能會產(chǎn)生兩倍閾值流量的臨界問題。滑動窗口算法作為固定窗口算法的一種改進(jìn),有效解決了窗口切換時的臨界問題。阿里開源的流量控制框架Sentinel就是基于滑動窗口實現(xiàn)的。
漏桶算法能夠?qū)α髁科鸬狡交鞯淖饔茫岆S機(jī)不確定的流量以固定的速率流出,但是不能解決流量突發(fā)問題。令牌桶算法能夠在限制數(shù)據(jù)的平均傳輸速率的同時還允許某種程度的突發(fā)傳輸。Guava的RateLimiter限流組件,就是基于令牌桶算法實現(xiàn)的。
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