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深入浅出限流算法（一）：简单但有“坑”的固定窗口计数器

news 来源：原创 2025/4/29 8:29:20

在现代分布式系统和 API 设计中，限流 (Rate Limiting) 是一个不可或缺的环节。它像一个尽职的门卫，保护着我们的服务资源，防止因突发流量或恶意攻击导致系统过载，同时也能确保资源的公平分配。

实现限流的算法多种多样，各有优劣。今天，我们就从最基础、最简单的一种开始聊起：计数器算法（固定窗口）。

什么是固定窗口计数器？

想象一下，一个热门景点入口，规定每分钟只能进入 100 位游客。工作人员手里有一个计数器和一个秒表。

窗口开始：每分钟开始时（例如，10:00:00），工作人员将计数器清零。
请求到达：每当有游客想进入（相当于一个 API 请求），工作人员就将计数器加 1。
检查限制：在增加计数器后，工作人员检查计数器的数字是否超过了 100。
- 如果未超过 100，游客被允许进入。
- 如果已超过 100，则告知该游客：“本分钟名额已满，请稍后再试”（请求被拒绝）。
窗口结束与重置：当这一分钟结束（到达 10:01:00），无论之前计数是多少，工作人员立即将计数器清零，准备下一个一分钟的计数。

这就是固定窗口计数器的核心思想：在一个固定的时间窗口内，维护一个计数器，记录该窗口接收到的请求数量。当请求到来时，计数器加一，如果超过设定的阈值，则拒绝请求。每个时间窗口结束后，计数器自动清零。

Java 实现（巧妙版）

下面是一个使用 Java 实现的固定窗口计数器。这个版本的巧妙之处在于，它避免了使用一个单独的定时任务来周期性地重置计数器，而是在每次请求到达时检查是否需要开启新的窗口。

import java.time.LocalTime; // 这个 import 在代码中实际未使用，可以移除
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class RateLimiterSimpleWindow {// 阈值 (例如，每秒允许的请求数 QPS)private static Integer QPS = 2;// 时间窗口大小（毫秒）private static long TIME_WINDOWS = 1000; // 1秒// 请求计数器 (使用 AtomicInteger 保证线程安全)private static AtomicInteger REQ_COUNT = new AtomicInteger(0);// 当前时间窗口的开始时间戳private static long START_TIME = System.currentTimeMillis();// 使用 synchronized 确保检查时间、重置计数器和更新开始时间这组操作的原子性public synchronized static boolean tryAcquire() {long now = System.currentTimeMillis();// 1. 检查当前时间是否已经超出了当前窗口if ((now - START_TIME) > TIME_WINDOWS) {// 如果是，说明需要开启新的时间窗口REQ_COUNT.set(0); // 重置计数器START_TIME = now; // 将窗口的开始时间更新为当前时间}// 2. 无论是否重置，都尝试为当前请求增加计数//    并检查增加后的计数值是否仍在允许的范围内return REQ_COUNT.incrementAndGet() <= QPS;}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {// 简单的测试逻辑for (int i = 0; i < 10; i++) {Thread.sleep(250); // 每 250ms 发送一个请求long currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();if (tryAcquire()) {System.out.println(currentTimeMillis + " 请求成功 -> ✅");} else {System.out.println(currentTimeMillis + " 请求失败 -> ❌");}}}
}

代码解读：

QPS: 定义了每个时间窗口内允许的最大请求数（这里是 2）。
TIME_WINDOWS: 定义了时间窗口的长度（这里是 1000 毫秒，即 1 秒）。
REQ_COUNT: 使用 AtomicInteger 来存储当前窗口的请求计数。AtomicInteger 是线程安全的，允许多个线程并发地增加计数值而不会出错。
START_TIME: 记录当前时间窗口的开始时间戳。
tryAcquire(): 这是核心方法，用于尝试获取一个请求许可。
- synchronized static: 这个关键字非常重要。因为 REQ_COUNT 和 START_TIME 都是 static 的（所有线程共享），我们需要确保检查时间、重置计数器、更新开始时间这三个操作组合在一起是原子的。否则，可能多个线程同时判断窗口已过期，并多次重置计数器，导致逻辑错误。synchronized 保证了同一时刻只有一个线程能执行 tryAcquire 方法块内的代码。
- 窗口检查与重置: if ((now - START_TIME) > TIME_WINDOWS) 判断当前时间 now 是否已经超过了窗口开始时间 START_TIME 加上窗口长度 TIME_WINDOWS。如果是，说明旧窗口已结束，需要重置计数器 REQ_COUNT.set(0) 并将 START_TIME 更新为当前时间 now，标志着新窗口的开始。
- 计数与判断: REQ_COUNT.incrementAndGet() 原子地将计数器加 1，并返回增加后的值。然后将这个新值与 QPS 比较。如果小于等于 QPS，则返回 true（请求成功）；否则返回 false（请求被限流）。