四种经典的限流算法
在业务开发中经常遇到限流场景，本文主要介绍四种经典的限流算法：固定窗口计数器、滑动窗口计数器、漏桶算法、令牌桶算法，在做限流的场景时可以借鉴这几种经典的限流算法，掌握其使用场景级优缺点。
一、固定窗口计数器（Fixed Window）
固定窗口计数器(Fixed Window)算法的实现思路非常简单，维护一个固定单位时间内的计数器，如果检测到单位时间已经过去就重置计数器为零。计数限首先维护一个计数器，将单位时间段当做一个窗口，计数器记录这个窗口接收请求的次数。
- 当次数少于限流阀值，就允许访问，并且计数器+1
- 当次数大于限流阀值，就拒绝访问
- 当前的时间窗口过去之后，计数器清零
二、 固定窗口算法的优缺点
- 优点：固定窗口算法非常简单，易于实现和理解，性能高。
- 缺点：存在明显的临界问题。
1.2 临界问题
临界问题：假设限流阀值为5个请求，单位时间窗口是1s,如果我们在单位时间内的前0.8-1s和1-1.2s，分别并发5个请求。虽然都没有超过阀值，但是如果算0.8-1.2s,则并发数高达10，已经超过单位时间1s不超过5阀值的定义。
2.2 滑动窗口计数器（Sliding Window）
滑动窗口限流算法是一种常用的限流算法，用于控制系统对外提供服务的速率，防止系统被过多的请求压垮。它将单位时间周期分为n个小周期，分别记录每个小周期内接口的访问次数，并且根据时间滑动删除过期的小周期。它可以解决固定窗口临界值的问题。
假设单位时间还是1s，滑动窗口算法把它划分为5个小周期，也就是滑动窗口（单位时间）被划分为5个小格子。每格表示0.2s。每过0.2s，时间窗口就会往右滑动一格。每个小周期，都有自己独立的计数器。
2.1 滑动窗口限流算法的优缺点
优点
- 简单易懂
- 精度高（通过调整时间窗口的大小来实现不同的限流效果）
- 可扩展性强（可以非常容易地与其他限流算法结合使用）
缺点
- 突发流量无法处理（无法应对短时间内的大量请求，但是一旦到达限流后，请求都会直接暴力被拒绝。会损失一部分请求，对于产品不太友好），需要合理调整时间窗口大小。
TIPS:当滑动窗口的格子周期划分的越多，那么滑动窗口的滚动就越平滑，限流的统计就会越精确。
三、漏桶算法（Leaky Bucket）
漏桶限流算法（Leaky Bucket Algorithm）是一种流量控制算法，用于控制流入网络的数据速率，以防止网络拥塞。它的思想是将数据包看作是水滴，漏桶看作是一个固定容量的水桶，数据包像水滴一样从桶的顶部流入桶中，并通过桶底的一个小孔以一定的速度流出，从而限制了数据包的流量。
漏桶限流算法的基本工作原理是：对于每个到来的数据包，都将其加入到漏桶中，并检查漏桶中当前的水量是否超过了漏桶的容量。如果超过了容量，就将多余的数据包丢弃。如果漏桶中还有水，就以一定的速率从桶底输出数据包，保证输出的速率不超过预设的速率，从而达到限流的目的。
3.1 漏桶限流算法的优缺点
优点
- 可以平滑限制请求的处理速度，避免瞬间请求过多导致系统崩溃或者雪崩。
- 可以控制请求的处理速度，使得系统可以适应不同的流量需求，避免过载或者过度闲置。
- 可以通过调整桶的大小和漏出速率来满足不同的限流需求，可以灵活地适应不同的场景。
缺点
- 需要对请求进行缓存，会增加服务器的内存消耗。
- 对于流量波动比较大的场景，需要较为灵活的参数配置才能达到较好的效果。
- 无法应对突发流量的场景。流量变突发时，我们肯定希望系统尽量快点处理请求，提升用户体验，但是漏桶算法只能以固定速度处理。
四、令牌桶算法(Token Bucket)
令牌桶算法是一种常用的限流算法，可以用于限制单位时间内请求的数量。该算法维护一个固定容量的令牌桶，每秒钟会向令牌桶中放入一定数量的令牌。当有请求到来时，如果令牌桶中有足够的令牌，则请求被允许通过并从令牌桶中消耗一个令牌，否则请求被拒绝。
4.1 令牌桶算法的优缺点
优点
- 稳定性高：令牌桶算法可以控制请求的处理速度，可以使系统的负载变得稳定。
- 精度高：令牌桶算法可以根据实际情况动态调整生成令牌的速率，可以实现较高精度的限流。
- 弹性好：令牌桶算法可以处理突发流量，可以在短时间内提供更多的处理能力，以处理突发流量。
Guava的RateLimiter限流组件，就是基于令牌桶算法实现的。
缺点
- 实现复杂：相对于固定窗口算法等其他限流算法，令牌桶算法的实现较为复杂。对短时请求难以处理：在短时间内有大量请求到来时，可能会导致令牌桶中的令牌被快速消耗完，从而限流。这种情况下，可以考虑使用漏桶算法。
- 时间精度要求高：令牌桶算法需要在固定的时间间隔内生成令牌，因此要求时间精度较高，如果系统时间不准确，可能会导致限流效果不理想。
总体来说，令牌桶算法具有较高的稳定性和精度，但实现相对复杂，适用于对稳定性和精度要求较高的场景。
