Spring Cloud Gateway 之 限流

简介

在高并发的系统中，往往需要在系统中做限流，一方面是为了防止大量的请求使服务器过载，导致服务不可用，另一方面是为了防止网络***。

一般开发高并发系统常见的限流有：限制总并发数（比如数据库连接池、线程池）、限制瞬时并发数（如 nginx 的 limit_conn 模块，用来限制瞬时并发连接数）、限制时间窗口内的平均速率（如 Guava 的 RateLimiter、nginx 的 limit_req 模块，限制每秒的平均速率）；其他还有如限制远程接口调用速率、限制 MQ 的消费速率。另外还可以根据网络连接数、网络流量、CPU 或内存负载等来限流。

限流算法

计数器

简单的做法是维护一个单位时间内的 计数器，每次请求计数器加1，当单位时间内计数器累加到大于设定的阈值，则之后的请求都被拒绝，直到单位时间已经过去，再将 计数器 重置为零。此方式有个弊端：如果在单位时间1s内允许100个请求，在10ms已经通过了100个请求，那后面的990ms，只能眼巴巴的把请求拒绝，我们把这种现象称为“突刺现象”。

常用的更平滑的限流算法有两种：漏桶算法 和 令牌桶算法。下面介绍下二者。

漏桶算法

漏桶算法思路很简单，水（请求）先进入到漏桶里，漏桶以一定的速度出水（接口有响应速率），当水流入速度过大会直接溢出（访问频率超过接口响应速率），然后就拒绝请求，可以看出漏桶算法能强行限制数据的传输速率。

可见这里有两个变量，一个是桶的大小，支持流量突发增多时可以存多少的水（burst），另一个是水桶漏洞的大小（rate）。因为漏桶的漏出速率是固定的参数，所以，即使网络中不存在资源冲突（没有发生拥塞），漏桶算法也不能使流突发（burst）到端口速率。因此，漏桶算法对于存在突发特性的流量来说缺乏效率。

令牌桶算法

令牌桶算法 和漏桶算法 效果一样但方向相反的算法，更加容易理解。随着时间流逝，系统会按恒定 1/QPS 时间间隔（如果 QPS=100，则间隔是 10ms）往桶里加入 Token（想象和漏洞漏水相反，有个水龙头在不断的加水），如果桶已经满了就不再加了。新请求来临时，会各自拿走一个 Token，如果没有 Token 可拿了就阻塞或者拒绝服务。

令牌桶的另外一个好处是可以方便的改变速度。一旦需要提高速率，则按需提高放入桶中的令牌的速率。一般会定时（比如 100 毫秒）往桶中增加一定数量的令牌，有些变种算法则实时的计算应该增加的令牌的数量。

限流实现

在 Spring Cloud Gateway 上实现限流是个不错的选择，只需要编写一个过滤器就可以了。有了前边过滤器的基础，写起来很轻松。

Spring Cloud Gateway 已经内置了一个RequestRateLimiterGatewayFilterFactory，我们可以直接使用。

目前RequestRateLimiterGatewayFilterFactory的实现依赖于 Redis，所以我们还要引入spring-boot-starter-data-redis-reactive。

pom.xml

<dependency>
    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-gateway</artifactId>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifatId>spring-boot-starter-data-redis-reactive</artifactId>
</dependency>

application.yml

server:
  port: 8080
spring:
  cloud:
    gateway:
      routes:
        - id: limit_route
          uri: http://httpbin.org:80/get
          predicates:
          - After=2019-02-26T00:00:00+08:00[Asia/Shanghai]
          filters:
          - name: RequestRateLimiter
            args:
              key-resolver: '#{@hostAddrKeyResolver}'
              redis-rate-limiter.replenishRate: 1
              redis-rate-limiter.burstCapacity: 3
  application:
    name: gateway-limiter
  redis:
    host: localhost
    port: 6379
    database: 0

在上面的配置文件，配置了 redis的信息，并配置了RequestRateLimiter的限流过滤器，该过滤器需要配置三个参数：

• burstCapacity：令牌桶总容量。
• replenishRate：令牌桶每秒填充平均速率。
• key-resolver：用于限流的键的解析器的 Bean 对象的名字。它使用 SpEL 表达式根据#{@beanName}从 Spring 容器中获取 Bean 对象。

IP限流

获取请求用户ip作为限流key。

@Bean
public KeyResolver hostAddrKeyResolver() {
    return exchange -> Mono.just(exchange.getRequest().getRemoteAddress().getHostName());
}

用户限流

获取请求用户id作为限流key。

@Bean
public KeyResolver userKeyResolver() {
    return exchange -> Mono.just(exchange.getRequest().getQueryParams().getFirst("userId"));
}

接口限流

获取请求地址的uri作为限流key。

@Bean
KeyResolver apiKeyResolver() {
    return exchange -> Mono.just(exchange.getRequest().getPath().value());
}

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