Guava RateLimiter预热模型

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什么是流量预热

我们都知道在做运动之前先得来几组拉伸之类的动作，给身体做个热身，让我们的身体平滑过渡到后面的剧烈运动中。流量预热也是一样的道理，对限流组件来说，流量预热就类似于一种热身运动，它可以动态调整令牌发放速度，让流量变化更加平滑。

我们来举一个例子:某个接口设定了100个Request每秒的限流标准 ，同时使用令牌桶算法做限流。假如当前时间窗口内都没有Reques t过来，那么令牌桶中会装满100个令牌。如果在下一秒突然涌入100个请求，这些请求会迅速消耗令牌，对服务的瞬时冲击会比较大。因此我们需要一种类似“热身运动”的缓冲机制，根据桶内的令牌数量动态控制令牌的发放速率，让忙时流量和闲时流量可以互相平滑过渡。

流量预热的做法

我们以Guava中的RateLimiter为例，看看流量预热在RateLimiter中是如何运作的，我们用下面的状态转换图来展示整个过程:

横坐标是令牌桶的当前容量，纵坐标是令牌发放速率，我们先从横坐标来分析

横坐标

下面两种场景会导致横坐标的变化:

1. 闲时流量流量较小或者压根没流量的时候，横坐标会逐渐向右移动，表示令牌桶中令牌数量增多
2. 忙时流量当访问流量增大的时候，横坐标向左移动，令牌桶中令牌数量变少

横轴有两个重要的坐标，一个是最右侧的“令牌桶最大容量”，这个不难理解。还有一个是Half容量，它是一个关键节点，会影响令牌发放速率。

纵坐标

纵坐标表示令牌的发放速率，这里有3个标线，分别是稳定时间间隔，2倍间隔，3倍间隔。

这里间隔的意思就是隔多长时间发放一个令牌，而所谓稳定间隔就是一个基准时间间隔。假如我们设置了每秒10个令牌的限流规则，那么稳定间隔也就是1s/10=0.1秒，也就是说每隔0.1秒发一个令牌。相应的，3倍间隔的数值是用稳定间隔乘以系数3，比如上面这个例子中3倍间隔就是0.3秒。

运作模式

了解了横坐标和纵坐标的含义之后，让我们来试着理解预热模型的用例。继续沿用上面10r/s的限流设置，稳定间隔=0.1s，3x间隔是0.3s。

我们先考虑闲时到忙时的流量转变，假定当前我们处于闲时流量阶段，没几个访问请求，这时令牌桶是满的。接着在下一秒突然涌入了10个请求，这些请求开始消耗令牌桶中的令牌。在初始阶段，令牌的放行速度比较慢，在第一个令牌被消耗以后，后面的请求要经过3x时间间隔也就是0.3s才会获取第二块令牌。随着令牌桶中令牌数量被逐渐消耗，当令牌存量下降到最大容量一半的时候(Half位置)，令牌放行的速率也会提升，以稳定间隔0.1s发放令牌。

反过来也一样，在流量从忙时转变为闲时的过程中，令牌发放速率是由快到慢逐渐变化。起始阶段的令牌放行间隔是0.1s，随着令牌桶内令牌逐渐增多，当令牌的存量积累到最大容量的一半后，放行令牌的时间间隔进一步增大为0.3s。

RateLimiter正是通过这种方式来控制令牌发放的时间间隔，从而使流量的变化更加平滑。

核心代码

理解了预热模型的运作流程之后，我们来看一下具体代码是如何实现的。

实现流量预热的类是SmoothWarmingUp，它是SmoothRateLimiter的一个内部类，我们重点关注一个doSetRate方法，它是计算横纵坐标系关键节点的方法，先来看一下SmoothRateLimiter这个父类中定义的方法

//permitsPerSecond表示每秒可以发放的令牌数量
@Override
final void doSetRate(double permitsPerSecond, long nowMicros) {
  resync(nowMicros);
  
  //计算稳定间隔，使用1s除以令牌桶容量
  double stableIntervalMicros = SECONDS.toMicros(1L);
  this.stableIntervalMicros = stableIntervalMicros;
  
  //调用SmoothWarmingUp类中重载的doSetRate方法
  doSetRate(permitsPerSecond, stableIntervalMicros); 
}

父类在这里的作用主要是计算出了稳定时间间隔(使用1s/每秒放行数量的公式来计算得出)，然后预热时间、三倍间隔等是在子类的doSetRate方法中实现的。

接下来我们看子类SmoothWarmingUp中的doSetRate做了什么

@Override
void doSetRate(double permitsPerSecond, double stableIn tervalMicros) {
  double oldMaxPermits = maxPermits;
  
  //maxPermits表示令牌桶内最大容量，它由我们设置的预热时间除以稳定时间间隔
  maxPermits = warmupPeriodMicros / stableIntervalMicros

  //这句不用解释了吧，halfPermits是最大容量的一半halfPermits =maxPermits / 2.0;
  // coldIntervalMicros就是我们前面写到的3倍间隔，通过稳定间//稳定间隔是0.1，3倍间隔是0.2，那么平均间隔是0.2
  double coldIntervalMicros = stableIntervalMicros * 3

  //slope的意思是斜率，也就是前面我们图中预热阶段中画出的斜线//它的计算过程就是一个简单的求斜率公式
  slope = (coldIntervalMicros - stableIntervalMicros)

  //计算目前令牌桶的令牌个数
  if (oldMaxPermits == Double.POSITIVE_INFINITY) {
    //如果令牌桶最大容量是无穷大，则设置当前可用令牌数为0 //说实话这段逻辑没什么用
    storedPermits = 0.0;
  } else {
    storedPermits = (oldMaxPermits == 0.0) 
      ? maxPermits//初始化的状态是3x间隔
      : storedPermits * maxPermits / oldMaxPermits;
  }
}

通过上面的两个函数，RateLimiter限流器就对maxPermits和slope(预热期斜率)两个变量做了初始化配置。我把关键步骤都注释在了代码里，大家理解了之后，可以尝试去阅读这个类的其他方法，弄清maxPermits和slope是如何影响令牌发放速率的。