用 go 实现一个分布式限流器

项目中需要对 api 的接口进行限流，但是麻烦的是，api 可能有多个节点，传统的本地限流无法处理这个问题。限流的算法有很多，比如计数器法，漏斗法，令牌桶法，等等。各有利弊，相关博文网上很多，这里不再赘述。

项目的要求主要有以下几点：

  1. 支持本地/分布式限流，接口统一
  2. 支持多种限流算法的切换
  3. 方便配置，配置方式不确定

go 语言不是很支持 OOP，我在实现的时候是按 Java 的思路走的，所以看起来有点不伦不类，希望能抛砖引玉。

1. 接口定义

package ratelimit

import "time"

// 限流器接口
type Limiter interface {
    Acquire() error
    TryAcquire() bool
}

// 限流定义接口
type Limit interface {
    Name() string
    Key() string
    Period() time.Duration
    Count() int32
    LimitType() LimitType
}

// 支持 burst
type BurstLimit interface {
    Limit
    BurstCount() int32
}

// 分布式定义的 burst
type DistLimit interface {
    Limit
    ClusterNum() int32
}

type LimitType int32
const (
    CUSTOM LimitType = iota
    IP
)

Limiter 接口参考了 Google 的 guava 包里的 Limiter 实现。Acquire 接口是阻塞接口，其实还需要加上 context 来保证调用链安全，因为实际项目中并没有用到 Acquire 接口，所以没有实现完善；同理，超时时间的支持也可以通过添加新接口继承自 Limiter 接口来实现。TryAcquire 会立即返回。

Limit 抽象了一个限流定义，Key() 方法返回这个 Limit 的唯一标识，Name() 仅作辅助，Period() 表示周期，单位是秒，Count() 表示周期内的最大次数，LimitType(）表示根据什么来做区分，如 IP，默认是 CUSTOM.
BurstLimit 提供突发的能力，一般是配合令牌桶算法。DistLimit 新增 ClusterNum() 方法，因为 mentor 要求分布式遇到错误的时候，需要退化为单机版本，退化的策略即是：2 节点总共 100QPS，如果出现分区，每个节点需要调整为各 50QPS

2. LocalCounterLimiter

package ratelimit

import (
    "errors"
    "fmt"
    "math"
    "sync"
    "sync/atomic"
    "time"
)

// todo timer 需要 stop
type localCounterLimiter struct {
    limit Limit

    limitCount int32 // 内部使用，对 limit.count 做了 <0 时的转换

    ticker *time.Ticker
    quit chan bool

    lock sync.Mutex
    newTerm *sync.Cond
    count int32
}

func (lim *localCounterLimiter) init() {
    lim.newTerm = sync.NewCond(&lim.lock)
    lim.limitCount = lim.limit.Count()

    if lim.limitCount < 0 {
        lim.limitCount = math.MaxInt32 // count 永远不会大于 limitCount，后面的写法保证溢出也没问题
    } else if lim.limitCount == 0  {
        // 禁止访问, 会无限阻塞
    } else {
        lim.ticker = time.NewTicker(lim.limit.Period())
        lim.quit = make(chan bool, 1)

        go func() {
            for {
                select {
                case <- lim.ticker.C:
                    fmt.Println("ticker .")
                    atomic.StoreInt32(&lim.count, 0)
                    lim.newTerm.Broadcast()

                    //lim.newTerm.L.Unlock()
                case <- lim.quit:
                    fmt.Println("work well .")
                    lim.ticker.Stop()
                    return
                }
            }
        }()
    }
}

// todo 需要机制来防止无限阻塞, 不超时也应该有个极限时间
func (lim *localCounterLimiter) Acquire() error {
    if lim.limitCount == 0 {
        return errors.New("rate limit is 0, infinity wait")
    }

    lim.newTerm.L.Lock()
    for lim.count >= lim.limitCount {
        // block instead of spinning
        lim.newTerm.Wait()
        //fmt.Println(count, lim.limitCount)
    }
    lim.count++
    lim.newTerm.L.Unlock()

    return nil
}

func (lim *localCounterLimiter) TryAcquire() bool {
    count := atomic.AddInt32(&lim.count, 1)
    if count > lim.limitCount {
        return false
    } else {
        return true
    }
}

代码很简单，就不多说了

3. LocalTokenBucketLimiter

golang 的官方库里提供了一个 ratelimiter，就是采用令牌桶的算法。所以这里并没有重复造轮子，直接代理了 ratelimiter。

package ratelimit

import (
    "context"
    "golang.org/x/time/rate"
    "math"
)

type localTokenBucketLimiter struct {
    limit Limit

    limiter *rate.Limiter // 直接复用令牌桶的
}

func (lim *localTokenBucketLimiter) init() {
    burstCount := lim.limit.Count()
    if burstLimit, ok := lim.limit.(BurstLimit); ok {
        burstCount = burstLimit.BurstCount()
    }

    count := lim.limit.Count()
    if count < 0 {
        count = math.MaxInt32
    }

    f := float64(count) / lim.limit.Period().Seconds()
    if f < 0 {
        f = float64(rate.Inf) // 无限
    } else if f == 0 {
        panic("为 0 的时候，底层实现有问题")
    }

    lim.limiter = rate.NewLimiter(rate.Limit(f), int(burstCount))
}

func (lim *localTokenBucketLimiter) Acquire() error {
    err := lim.limiter.Wait(context.TODO())
    return err
}

func (lim *localTokenBucketLimiter) TryAcquire() bool {
    return lim.limiter.Allow()
}

4. RedisCounterLimiter

package ratelimit

import (
    "math"
    "sync"
    "xg-go/log"
    "xg-go/xg/common"
)

type redisCounterLimiter struct {
    limit      DistLimit
    limitCount int32 // 内部使用，对 limit.count 做了 <0 时的转换

    redisClient *common.RedisClient

    once sync.Once // 退化为本地计数器的时候使用
    localLim Limiter

    //script string
}

func (lim *redisCounterLimiter) init() {
    lim.limitCount = lim.limit.Count()
    if lim.limitCount < 0 {
        lim.limitCount = math.MaxInt32
    }

    //lim.script = buildScript()
}

//func buildScript() string {
//  sb := strings.Builder{}
//
//  sb.WriteString("local c")
//  sb.WriteString("\nc = redis.call('get',KEYS[1])")
//  // 调用不超过最大值，则直接返回
//  sb.WriteString("\nif c and tonumber(c) > tonumber(ARGV[1]) then")
//  sb.WriteString("\nreturn c;")
//  sb.WriteString("\nend")
//  // 执行计算器自加
//  sb.WriteString("\nc = redis.call('incr',KEYS[1])")
//  sb.WriteString("\nif tonumber(c) == 1 then")
//  sb.WriteString("\nredis.call('expire',KEYS[1],ARGV[2])")
//  sb.WriteString("\nend")
//  sb.WriteString("\nif tonumber(c) == 1 then")
//  sb.WriteString("\nreturn c;")
//
//  return sb.String()
//}

func (lim *redisCounterLimiter) Acquire() error {
    panic("implement me")
}

func (lim *redisCounterLimiter) TryAcquire() (success bool) {
    defer func() {
        // 一般是 redis 连接断了，会触发空指针
        if err := recover(); err != nil {
            //log.Errorw("TryAcquire err", common.ERR, err)
            //success = lim.degradeTryAcquire()
            //return
            success = true
        }

        // 没有错误，判断是否开启了 local 如果开启了，把它停掉
        //if lim.localLim != nil {
        //  // stop 线程安全
        //  lim.localLim.Stop()
        //}
    }()

    count, err := lim.redisClient.IncrBy(lim.limit.Key(), 1)
    //panic("模拟 redis 出错")
    if err != nil {
        log.Errorw("TryAcquire err", common.ERR, err)
        panic(err)
    }

    // *2 是为了保留久一点，便于观察
    err = lim.redisClient.Expire(lim.limit.Key(), int(2 * lim.limit.Period().Seconds()))
    if err != nil {
        log.Errorw("TryAcquire error", common.ERR, err)
        panic(err)
    }

    // 业务正确的情况下 确认超限
    if int32(count) > lim.limitCount {
        return false
    }

    return true

    //keys := []string{lim.limit.Key()}
    //
    //log.Errorw("TryAcquire ", keys, lim.limit.Count(), lim.limit.Period().Seconds())
    //count, err := lim.redisClient.Eval(lim.script, keys, lim.limit.Count(), lim.limit.Period().Seconds())
    //if err != nil {
    //  log.Errorw("TryAcquire error", common.ERR, err)
    //  return false
    //}
    //
    //
    //typeName := reflect.TypeOf(count).Name()
    //log.Errorw(typeName)
    //
    //if count != nil && count.(int32) <= lim.limitCount {
    //
    //  return true
    //}
    //return false
}

func (lim *redisCounterLimiter) Stop() {
    // 判断是否开启了 local 如果开启了，把它停掉
    if lim.localLim != nil {
        // stop 线程安全
        lim.localLim.Stop()
    }
}

func (lim *redisCounterLimiter) degradeTryAcquire() bool {
    lim.once.Do(func() {
        count := lim.limit.Count() / lim.limit.ClusterNum()
        limit := LocalLimit {
            name: lim.limit.Name(),
            key: lim.limit.Key(),
            count: count,
            period: lim.limit.Period(),
            limitType: lim.limit.LimitType(),
        }

        lim.localLim = NewLimiter(&limit)
    })

    return lim.localLim.TryAcquire()
}

代码里回退的部分注释了，因为线上为了稳定，实习生的代码毕竟，所以先不跑。
本来原有的思路是直接用 lua 脚本在 redis 上保证原子操作，但是底层封装的库对于直接调 eval 跑的时候，会抛错，而且 source 是 go-redis 里面，赶 ddl 没有时间去 debug，所以只能用 incrBy + expire 分开来。

5. RedisTokenBucketLimiter

令牌桶的状态变量得放在一个 线程安全/一致 的地方，redis 是不二人选。但是令牌桶的算法核心是个延迟计算得到令牌数量，这个是一个很长的临界区，所以要么用分布式锁，要么直接利用 redis 的单线程以原子方式跑。一般业界是后者，即 lua 脚本维护令牌桶的状态变量、计算令牌。代码类似这种

local tokens_key = KEYS[1]
local timestamp_key = KEYS[2]
--redis.log(redis.LOG_WARNING, "tokens_key " .. tokens_key)

local rate = tonumber(ARGV[1])
local capacity = tonumber(ARGV[2])
local now = tonumber(ARGV[3])
local requested = tonumber(ARGV[4])
local intval = tonumber(ARGV[5])

local fill_time = capacity/rate
local ttl = math.floor(fill_time*2) * intval

local last_tokens = tonumber(redis.call("get", tokens_key))
if last_tokens == nil then
  last_tokens = capacity
end

local last_refreshed = tonumber(redis.call("get", timestamp_key))
if last_refreshed == nil then
  last_refreshed = 0
end

local delta = math.max(0, now-last_refreshed)
local filled_tokens = math.min(capacity, last_tokens+(delta*rate))
local allowed = filled_tokens >= requested
local new_tokens = filled_tokens
if allowed then
  new_tokens = filled_tokens - requested
end

redis.call("setex", tokens_key, ttl, new_tokens)
redis.call("setex", timestamp_key, ttl, now)

return { allowed, new_tokens }
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