分佈式秒殺系統構建中的多種限流實現

時間 2020-05-08

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1、前言

俗話說的好，冰凍三尺非一日之寒，滴水穿石非一日之功，羅馬也不是一天就建成的。兩週前秒殺案例初步成型，分享出來的同時也收到了很多小夥伴的建議和投訴。我從不認爲分佈式、集羣、秒殺這些就應該是大廠的專利，在互聯網的今天，不管何時都要時刻武裝本身，只有這樣，也許你的春天就在明天。

在開發秒殺系統案例的過程當中，隊列、緩存、鎖和分佈式鎖以及靜態化等都各自有各自不可忽視的做用。緩存的目的是爲了提高系統訪問速度和加強系統的處理能力；分佈式鎖解決了集羣下數據的安全一致性問題；靜態化無疑是減輕了緩存以及DB層的壓力。

2、限流

然而再牛逼的機器，再優化的設計，對於特殊場景咱們也是要特殊處理的。就拿秒殺來講，可能會有百萬級別的用戶進行搶購，而商品數量遠遠小於用戶數量。若是這些請求都進入隊列或者查詢緩存，對於最終結果沒有任何意義，徒增後臺華麗的數據。對此，爲了減小資源浪費，減輕後端壓力，咱們還須要對秒殺進行限流，只需保障部分用戶服務正常便可。

就秒殺接口來講，當訪問頻率或者併發請求超過其承受範圍的時候，這時候咱們就要考慮限流來保證接口的可用性，以防止非預期的請求對系統壓力過大而引發的系統癱瘓。一般的策略就是拒絕多餘的訪問，或者讓多餘的訪問排隊等待服務。

3、限流算法

任何限流都不是漫無目的的，也不是一個開關就能夠解決的問題，經常使用的限流算法有：令牌桶、漏桶。

令牌桶

令牌桶算法是網絡流量整形（Traffic Shaping）和速率限制（Rate Limiting）中最常使用的一種算法。典型狀況下，令牌桶算法用來控制發送到網絡上的數據的數目，並容許突發數據的發送。

在秒殺活動中，用戶的請求速率是不固定的，這裏咱們假定爲10r/s，令牌按照5個每秒的速率放入令牌桶，桶中最多存放20個令牌。仔細想一想，是否是總有那麼一部分請求被丟棄。

漏桶

漏桶算法的主要目的是控制數據注入到網絡的速率，平滑網絡上的突發流量。漏桶算法提供了一種機制，經過它，突發流量能夠被整形以便爲網絡提供一個穩定的流量。

令牌桶是不管你流入速率多大，我都按照既定的速率去處理，若是桶滿則拒絕服務。

4、應用限流

Tomcat

在Tomcat容器中，咱們能夠經過自定義線程池，配置最大鏈接數，請求處理隊列等參數來達到限流的目的。

Tomcat默認使用自帶的鏈接池，這裏咱們也能夠自定義實現，打開/conf/server.xml文件，在Connector以前配置一個線程池：

<Executor name="tomcatThreadPool"
        namePrefix="tomcatThreadPool-"
        maxThreads="1000"
        maxIdleTime="300000"
        minSpareThreads="200"/>

name：共享線程池的名字。這是Connector爲了共享線程池要引用的名字，該名字必須惟一。默認值：None；
namePrefix:在JVM上，每一個運行線程均可以有一個name 字符串。這一屬性爲線程池中每一個線程的name字符串設置了一個前綴，Tomcat將把線程號追加到這一前綴的後面。默認值：tomcat-exec-；
maxThreads：該線程池能夠容納的最大線程數。默認值：200；
maxIdleTime：在Tomcat關閉一個空閒線程以前，容許空閒線程持續的時間(以毫秒爲單位)。只有當前活躍的線程數大於minSpareThread的值，纔會關閉空閒線程。默認值：60000(一分鐘)。
minSpareThreads：Tomcat應該始終打開的最小不活躍線程數。默認值：25。

配置Connector

<Connector executor="tomcatThreadPool"
           port="8080" protocol="HTTP/1.1"
           connectionTimeout="20000"
           redirectPort="8443"
           minProcessors="5"
           maxProcessors="75"
           acceptCount="1000"/>

executor：表示使用該參數值對應的線程池；
minProcessors：服務器啓動時建立的處理請求的線程數；
maxProcessors：最大能夠建立的處理請求的線程數；
acceptCount：指定當全部可使用的處理請求的線程數都被使用時，能夠放處處理隊列中的請求數，超過這個數的請求將不予處理。

5、API限流

秒殺活動中，接口的請求量會是平時的數百倍甚至數千倍，從而有可能致使接口不可用，並引起連鎖反應致使整個系統崩潰，甚至有可能會影響到其它服務。

那麼如何應對這種忽然事件呢？這裏咱們採用開源工具包guava提供的限流工具類RateLimiter進行API限流，該類基於「令牌桶算法」，開箱即用。

自定義定義註解：

/**
 * 自定義註解  限流
 */
@Target({ElementType.PARAMETER, ElementType.METHOD})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
public  @interface ServiceLimit {
     String description()  default "";
}

自定義切面：

/**
 * 限流 AOP
 */
@Component
@Scope
@Aspect
public class LimitAspect {
    //每秒只發出100個令牌，此處是單進程服務的限流，內部採用令牌捅算法實現
    private static   RateLimiter rateLimiter = RateLimiter.create(100.0);
    //Service層切點  限流
    @Pointcut("@annotation(com.itstyle.seckill.common.aop.ServiceLimit)")  
    public void ServiceAspect() {
    }
    @Around("ServiceAspect()")
    public  Object around(ProceedingJoinPoint joinPoint) {
        Boolean flag = rateLimiter.tryAcquire();
        Object obj = null;
        try {
            if(flag){
                obj = joinPoint.proceed();
            }
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return obj;
    }
}

業務實現：

@Override
@ServiceLimit
@Transactional
public Result startSeckil(long seckillId, long userId) {
    //省略部分業務代碼，詳見秒殺源碼
}

6、分佈式限流

Nginx

如何使用Nginx實現基本的限流，好比單個IP限制每秒訪問50次？經過Nginx限流模塊，咱們能夠設置一旦併發鏈接數超過咱們的設置，將返回503錯誤給客戶端。

配置nginx.conf

#統一在http域中進行配置
#限制請求
limit_req_zone $binary_remote_addr $uri zone=api_read:20m rate=50r/s;
#按ip配置一個鏈接 zone
limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=perip_conn:10m;
#按server配置一個鏈接 zone
limit_conn_zone $server_name zone=perserver_conn:100m;
server {
        listen       80;
        server_name  seckill.52itstyle.com;
        index index.jsp;
        location / {
              #請求限流排隊經過 burst默認是0
              limit_req zone=api_read burst=5;
              #鏈接數限制,每一個IP併發請求爲2
              limit_conn perip_conn 2;
              #服務所限制的鏈接數(即限制了該server併發鏈接數量)
              limit_conn perserver_conn 1000;
              #鏈接限速
              limit_rate 100k;
              proxy_pass      http://seckill;
        }
}
upstream seckill {
        fair;
        server  172.16.1.120:8080 weight=1  max_fails=2 fail_timeout=30s;
        server  172.16.1.130:8080 weight=1  max_fails=2 fail_timeout=30s;
}

配置說明

imitconnzone

是針對每一個IP定義一個存儲session狀態的容器。這個示例中定義了一個100m的容器，按照32bytes/session，能夠處理3200000個session。

limit_rate 300k

對每一個鏈接限速300k。注意，這裏是對鏈接限速，而不是對IP限速。若是一個IP容許兩個併發鏈接，那麼這個IP就是限速limit_rate×2。

burst=5

這至關於桶的大小，若是某個請求超過了系統處理速度，會被放入桶中，等待被處理。若是桶滿了，那麼抱歉，請求直接返回503，客戶端獲得一個服務器忙的響應。若是系統處理請求的速度比較慢，桶裏的請求也不能一直待在裏面，若是超過必定時間，也是會被直接退回，返回服務器忙的響應。

7、OpenResty限流

上圖這個背影有沒有很熟悉？就是那個直呼理解萬歲的老羅，2015年老羅在錘子科技T2發佈會上將門票收入捐贈給了OpenResty，相信老羅是個有情懷的胖子。

這裏咱們使用OpenResty開源的限流方案，測試案例使用OpenResty1.13.6.1最新版本，自帶lua-resty-limit-traffic模塊以及案例，實現起來更爲方便。

限制接口總併發數/請求數

秒殺活動中，因爲突發流量暴增，有可能會影響整個系統的穩定性從而形成崩潰，這時候咱們就要限制秒殺接口的總併發數/請求數。

這裏咱們採用lua-resty-limit-traffic中的resty.limit.count模塊實現，因爲文章篇幅具體代碼參見源碼openresty/lua/limit_count.lua。

限制接口時間窗請求數

秒殺場景下，有時候並不都是人肉鼠標，好比12306的搶票軟件，軟件刷票可比人肉鼠標快多了。此時咱們就要對客戶端單位時間內的請求數進行限制，以致於刷票不是那麼猖獗。固然了道高一尺魔高一丈，搶票軟件老是會有辦法繞開你的防線，從另外一方面講也促進了技術的進步。

這裏咱們採用 lua-resty-limit-traffic中的resty.limit.conn模塊實現，具體代碼參見源碼openresty/lua/limit_conn.lua。

平滑限制接口請求數

以前的限流方式容許突發流量，也就是說瞬時流量都會被容許。忽然流量若是不加以限制會影響整個系統的穩定性，所以在秒殺場景中須要對請求整形爲平均速率處理，即20r/s。

這裏咱們採用 lua-resty-limit-traffic 中的resty.limit.req 模塊實現漏桶限流和令牌桶限流。

其實漏桶和令牌桶根本的區別就是，如何處理超過請求速率的請求。漏桶會把請求放入隊列中去等待均速處理，隊列滿則拒絕服務；令牌桶在桶容量容許的狀況下直接處理這些突發請求。

漏桶

桶容量大於零，而且是延遲模式。若是桶沒滿，則進入請求隊列以固定速率等待處理，不然請求被拒絕。

令牌桶

桶容量大於零，而且是非延遲模式。若是桶中存在令牌，則容許突發流量，不然請求被拒絕。

壓測

爲了測試以上配置效果，咱們採用AB壓測，Linux下執行如下命令便可：

# 安裝
yum -y install httpd-tools
# 查看ab版本
ab -v
# 查看幫助
ab --help
測試命令：
ab -n 1000 -c 100 http://127.0.0.1/
測試結果：
Server Software:        openresty/1.13.6.1  #服務器軟件
Server Hostname:        127.0.0.1     #IP
Server Port:            80            #請求端口號
Document Path:          /             #文件路徑
Document Length:        12 bytes      #頁面字節數
Concurrency Level:      100           #請求的併發數
Time taken for tests:   4.999 seconds #總訪問時間
Complete requests:      1000          #總請求樹
Failed requests:        0             #請求失敗數量
Write errors:           0
Total transferred:      140000 bytes  #請求總數據大小
HTML transferred:       12000 bytes   #html頁面實際總字節數
Requests per second:    200.06 [#/sec] (mean) #每秒多少請求，這個是很是重要的參數數值，服務器的吞吐量
Time per request:       499.857 [ms] (mean) #用戶平均請求等待時間
Time per request:       4.999 [ms] (mean, across all concurrent requests)  # 服務器平均處理時間，也就是服務器吞吐量的倒數
Transfer rate:          27.35 [Kbytes/sec] received #每秒獲取的數據長度
Connection Times (ms)
                   min     mean[+/-sd] median   max
Connect:        0           0   0.8           0       4
Processing:    5         474  89.1       500     501
Waiting:         2         474  89.2       500     501
Total:             9         475  88.4       500     501
Percentage of the requests served within a certain time (ms)
  50%    500
  66%    500
  75%    500
  80%    500
  90%    501
  95%    501
  98%    501
  99%    501
 100%    501 (longest request)