微服务设计模式：节流模式（Throttling Pattern）

微服务设计模式：节流模式（Throttling Pattern）

定义

节流模式（Throttling Pattern）是一种控制资源使用速率的设计模式，广泛应用于云计算和微服务架构中，以防止服务过载和资源耗尽。它通过限制客户端请求的数量，保证系统稳定性和可用性。

结构

节流模式的核心组件包括：

1. 请求过滤器：拦截请求并进行计数。
2. 计数器：记录每个用户的请求数量。
3. 请求限制器：判断请求是否超过限制。
4. 响应处理器：拒绝超出限制的请求并返回适当响应。

+---------------------------+
|      请求过滤器            |
+-----------+---------------+|v
+-----------+---------------+
|         计数器             |
+-----------+---------------+|v
+-----------+---------------+
|      请求限制器            |
+-----------+---------------+|v
+-----------+---------------+
|      响应处理器            |
+---------------------------+

工作原理

节流模式的整个工作原理可以分为以下几个步骤：

1. 请求拦截
   • 每个客户端发送的请求都需要经过一个请求过滤器，该过滤器负责对请求进行初步检查。
2. 计数和记录
   • 计数器会记录每个客户端在单位时间内的请求数量。这个计数器可以存储在内存中，也可以使用分布式缓存（如Redis）来实现，以支持分布式系统。
3. 速率检查
   • 请求限制器会根据计数器的数据检查当前的请求速率是否超过了预设的阈值。如果未超过，则允许请求继续处理；如果已超过，则请求被拒绝。
4. 响应处理
   • 对于被拒绝的请求，响应处理器会返回特定的HTTP状态码（通常是429 Too Many Requests），并且可以给出详细的错误信息。

优势

1. 防止系统过载

   • 稳定性提升：在高并发环境下，防止系统因请求量过大而崩溃。
   • 可用性保障：确保服务在高负载情况下依然可以对外提供有限度的服务。

2. 预防滥用和恶意攻击

   • 安全防护：防止恶意用户利用DDoS攻击大量请求来消耗系统资源。
   • 公平使用：确保每个用户都能公平地使用系统资源。

3. 资源优化

   • 有效利用资源：避免资源被非关键性请求消耗，确保关键业务的优先响应。
   • 成本控制：在云计算环境中，通过限制请求频率，可以间接控制服务器的自动扩展，节省成本。

4. 实现业务策略

   • 支付系统限制：对支付等高敏感业务进行请求限制，以防止重复操作和系统压力。

   • API 限流：用于对外开放的API接口，进行速率限制以防止单个用户过度使用资源。

Spring拦截器

Spring Interceptor 是 Spring MVC 框架中的一个关键组件，适用于处理 HTTP 请求的预处理和后处理。它提供了在请求进入 Controller 之前和响应离开之后进行自定义逻辑处理的机制。Spring Interceptor 是实现 HandlerInterceptor 接口的类，它允许在处理 HTTP 请求和生成响应的过程中拦截这些请求和响应，进行一些前置或后置处理。

HandlerInterceptor 接口

该接口有三个主要方法：

1. preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler): 在请求被发送到控制器之前调用。返回 true 继续请求，返回 false 中止请求。可以用来做身份认证、日志记录或限流等操作。
2. postHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler, ModelAndView modelAndView): 在控制器方法调用之后但在视图渲染之前调用，可以对传递到视图的数据进行加工。
3. afterCompletion(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler, Exception ex): 在整个请求之后调用，用于清理资源或记录日志。

Interceptor 与 Filter 的对比

• Filter:

  • 基于 Servlet 规范工作。
  • 在请求到达 DispatcherServlet 之前和离开之后工作。
  • 更底层，主要用于处理请求和响应的流。

• Interceptor:

  • 基于 Spring MVC 框架工作。

  • 在 DispatcherServlet 内部工作，适用于更细粒度的控制请求处理。

  • 更高级，主要用于应用业务逻辑。

代码示例

下面将详细讲解如何使用 Spring Interceptor 实现节流模式，并且如何将其应用于特定的 API。

项目结构

spring-boot-throttling/
│
├── src/main/java/com/example/throttling/
│   ├── ThrottlingApplication.java
│   ├── config/
│   │   └── WebConfig.java
│   ├── interceptor/
│   │   └── RateLimitInterceptor.java
│   └── controller/
│       └── HelloController.java
└── src/main/resources/└── application.yml

创建 Interceptor

首先，我们需要创建一个 Rate Limit Interceptor 实现节流模式逻辑。以下示例使用 Google Guava 的 RateLimiter 来管理请求速率。

package com.example.throttling.interceptor;import com.google.common.util.concurrent.RateLimiter;
import org.springframework.stereotype.Component;
import org.springframework.web.servlet.HandlerInterceptor;import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;@Component
public class RateLimitInterceptor implements HandlerInterceptor {// 每秒允许处理的请求数：100次/60秒private final RateLimiter rateLimiter = RateLimiter.create(100.0 / 60.0);@Overridepublic boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler) throws Exception {if (rateLimiter.tryAcquire()) {return true; // 允许请求继续处理} else {response.setStatus(HttpServletResponse.SC_TOO_MANY_REQUESTS);response.getWriter().write("Too many requests, please try again later.");return false; // 请求被拒绝}}
}

配置 Interceptor

在 Spring Boot 中，通过 WebMvcConfigurer 配置拦截器并将它应用到你的 API。

package com.example.throttling.config;import com.example.throttling.interceptor.RateLimitInterceptor;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.web.servlet.config.annotation.InterceptorRegistry;
import org.springframework.web.servlet.config.annotation.WebMvcConfigurer;@Configuration
public class WebConfig implements WebMvcConfigurer {@Autowiredprivate RateLimitInterceptor rateLimitInterceptor;@Overridepublic void addInterceptors(InterceptorRegistry registry) {// 这里添加拦截器，并且指定需要拦截的路径模式registry.addInterceptor(rateLimitInterceptor).addPathPatterns("/api/limited/**");}
}

在这个例子中，拦截器只会应用于 /api/limited/** 路径下的所有请求。

创建REST 控制器

创建一个简单的 REST 控制器，包含一个被节流的 API。

package com.example.throttling.controller;import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;@RestController
@RequestMapping("/api")
public class HelloController {@GetMapping("/hello")public String hello() {return "Hello, World!";}@GetMapping("/limited/hello")public String limitedHello() {return "Hello, Limited World!";}
}

/api/limited/hello 这个 API 就会受到节流限制，而 /api/hello 不会。

启动主程序

package com.example.throttling;import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;@SpringBootApplication
public class ThrottlingApplication {public static void main(String[] args) {SpringApplication.run(ThrottlingApplication.class, args);}
}

总结

节流模式（Throttling Pattern）是一种用来限制请求频率的设计模式，在云计算和微服务架构中非常重要。它通过对请求进行计数和限制，防止系统过载，保证资源的公平使用。Spring Boot 支持通过拦截器实现这一模式，为开发者提供了简便灵活的实现方式。通过理解和应用节流模式，可以有效提升系统的稳定性和可用性。当然，Spring Interceptor 是在 Spring MVC 中用于拦截 HTTP 请求和响应的重要工具。通过使用拦截器，你可以在请求到达控制器之前和响应离开控制器之后进行自定义处理，这使得它非常适合用于实现节流模式等跨应用的关注点。