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Java AOP實現(xiàn)自定義滑動窗口限流器方法詳解

 更新時間:2022年07月18日 15:36:15   作者:柚幾哥哥  
這篇文章主要介紹了Java AOP實現(xiàn)自定義滑動窗口限流器方法,其中滑動窗口算法彌補了計數(shù)器算法的不足,滑動窗口算法把間隔時間劃分成更小的粒度,當(dāng)更小粒度的時間間隔過去后,把過去的間隔請求數(shù)減掉,再補充一個空的時間間隔,需要的朋友可以參考下

滑動窗口算法

滑動窗口算法是一種廣泛應(yīng)用于計算機科學(xué)和數(shù)據(jù)分析中的數(shù)據(jù)流算法,特別適用于處理具有時間序列特性的數(shù)據(jù),如網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控、速率限制、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。其核心思想是在一個固定大小的“窗口”內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,這個窗口會隨著數(shù)據(jù)的流入而向前滑動,始終保持最新一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

基本概念

  • 窗口大?。夯瑒哟翱谟幸粋€固定的尺寸,表示你關(guān)心的數(shù)據(jù)的時間范圍或數(shù)據(jù)數(shù)量。例如,如果你關(guān)注的是過去5分鐘內(nèi)的數(shù)據(jù),那么窗口大小就是5分鐘。
  • 滑動/移動:隨著時間的推移或新數(shù)據(jù)的到來,窗口會不斷向前移動,丟棄最舊的數(shù)據(jù)點,同時納入最新的數(shù)據(jù)點,始終保持窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的新鮮度。
  • 數(shù)據(jù)處理:在窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)會被用來進(jìn)行各種計算,比如求平均值、最大值、最小值、計數(shù)等,具體取決于應(yīng)用場景。

應(yīng)用實例

  • 網(wǎng)絡(luò)流量控制:在網(wǎng)絡(luò)傳輸中,滑動窗口常用來控制發(fā)送速率,避免擁塞。TCP協(xié)議中的擁塞控制就采用了類似滑動窗口的機制來調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率。
  • 速率限制(Rate Limiting):在Web服務(wù)中,滑動窗口算法可以用來實現(xiàn)對API調(diào)用或其他請求的速率限制,確保服務(wù)不會因為過多的請求而過載。通過控制窗口期內(nèi)的請求總數(shù)或特定時間段內(nèi)的請求頻率,可以平滑系統(tǒng)負(fù)載。
  • 交易監(jiān)控:在金融系統(tǒng)中,滑動窗口可用于監(jiān)控交易活動,比如檢測是否存在異常交易模式,通過分析一段時間內(nèi)的交易頻次和金額分布。

實現(xiàn)要點

  • 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)選擇:為了高效實現(xiàn)滑動窗口,通常使用隊列或哈希表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲窗口內(nèi)的數(shù)據(jù),便于快速插入和刪除元素。
  • 窗口邊界處理:需要準(zhǔn)確地管理窗口的邊界,確保當(dāng)新數(shù)據(jù)到來時,能及時移除窗口最左邊(或最舊)的數(shù)據(jù)點,同時加入新數(shù)據(jù)點。
  • 時間復(fù)雜度:理想情況下,滑動窗口算法的操作(如添加元素、移除元素、計算窗口內(nèi)統(tǒng)計量)應(yīng)該能在常數(shù)時間內(nèi)完成,以保證算法的高效性。

滑動窗口算法因其靈活性和高效性,在眾多領(lǐng)域中都有重要應(yīng)用,是理解和處理時間序列數(shù)據(jù)的一個非常實用的工具。

要實現(xiàn)AOP結(jié)合滑動窗口算法來實現(xiàn)自定義規(guī)則的限流,我們可以在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴展,以支持更靈活的配置和更復(fù)雜的規(guī)則。以下是一個基于Spring AOP和滑動窗口算法的簡單示例,包括自定義注解來設(shè)置限流規(guī)則,以及如何在切面中應(yīng)用這些規(guī)則。

定義緩存注解

首先,定義一個自定義注解來標(biāo)記需要限流的方法,并允許傳入限流的具體規(guī)則

package com.example.demo.annotation;
import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
import java.lang.annotation.Target;
@Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface WindowRateLimit {
    // 允許的最大請求數(shù)
    int limit();
    // 窗口時間長度,單位毫秒
    long timeWindowMilliseconds();
}

滑動窗口限流器

接下來,實現(xiàn)滑動窗口限流器,這里簡化處理,直接使用內(nèi)存實現(xiàn),實際應(yīng)用中可能需要基于Redis等持久化存儲以適應(yīng)分布式場景:

核心思想:每次請求進(jìn)來時,獲取當(dāng)前時間的時間戳,將每次請求的時間戳存儲到LinkedList集合中,同時以當(dāng)前時間為窗口期的結(jié)束點,刪除往前一個窗口期內(nèi)所有的請求時間戳,將LinkedList集合剩余數(shù)據(jù)的個數(shù)與自定義設(shè)置的窗口期請求峰值進(jìn)行對比,若等于則直接限流。

package com.example.demo.uitls;
import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;
import java.io.Serializable;
import java.util.LinkedList;
/**
 * SlidingWindowRateLimiter : 滑動窗口限流算法
 */
@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public class SlidingWindowRateLimiter implements Serializable {
    /**
     * 請求隊列
     */
    private LinkedList<Long> requests = new LinkedList<>();
    /**
     * 最大請求數(shù)
     */
    private int maxRequests;
    /**
     * 窗口大小
     */
    private long windowSizeInMilliseconds;
    public SlidingWindowRateLimiter(int maxRequests, long windowSizeInMilliseconds) {
        this.maxRequests = maxRequests;
        this.windowSizeInMilliseconds = windowSizeInMilliseconds;
    }
    /**
     * 判斷是否允許請求
     * @return
     */
    public synchronized boolean allowRequest() {
        // 獲取當(dāng)前時間
        long currentTime = System.currentTimeMillis();
        // 清除窗口之外的舊請求
        while (!requests.isEmpty() && currentTime - requests.peekFirst() > windowSizeInMilliseconds) {
            requests.removeFirst();
        }
        // 如果當(dāng)前窗口請求未達(dá)到上限,則允許請求并記錄
        if (requests.size() < maxRequests) {
            requests.addLast(currentTime);
            return true;
        } else {
            // 達(dá)到限流閾值,拒絕請求
            return false;
        }
    }
}

AOP切面實現(xiàn)

最后,創(chuàng)建AOP切面來應(yīng)用限流邏輯:

將需要限流的方法所初始化的滑動窗口限流器緩存到Redis中,過期時間設(shè)置為對應(yīng)的窗口時間。

一個窗口時間內(nèi),若沒有新的請求進(jìn)來,即存儲的請求時間戳都為窗口期外的,因此可以直接清除掉已減少緩存占用空間。

package com.example.demo.aspect;
import com.example.demo.annotation.WindowRateLimit;
import com.example.demo.config.redis.RedisKeyEnum;
import com.example.demo.uitls.RedisUtil;
import com.example.demo.uitls.SlidingWindowRateLimiter;
import jakarta.annotation.Resource;
import org.aspectj.lang.ProceedingJoinPoint;
import org.aspectj.lang.annotation.Around;
import org.aspectj.lang.annotation.Aspect;
import org.springframework.stereotype.Component;
/**
 * RateLimiterAspect :
 */
@Aspect
@Component
public class SlidingWindowRateLimiterAspect {
    @Resource
    private RedisUtil redisUtil;
    @Around("@annotation(rateLimit)")
    public Object applyRateLimit(ProceedingJoinPoint joinPoint, WindowRateLimit rateLimit) throws Throwable {
        // 獲取調(diào)用的方法名
        String methodName = joinPoint.getSignature().getName();
        // 獲取方法對應(yīng)的緩存滑動窗口限流器KEY
        String key = RedisKeyEnum.WINDOW_CURRENT_LIMITING.getKey() + methodName;
        // 從緩存中獲取滑動窗口限流器
        SlidingWindowRateLimiter rateLimiter = redisUtil.getCacheObject(key);
        // 如果滑動窗口限流器不存在,則創(chuàng)建一個新限流器
        if (rateLimiter == null) {
            rateLimiter = new SlidingWindowRateLimiter(rateLimit.limit(), rateLimit.timeWindowMilliseconds());
        }
        // 如果滑動窗口限流器存在,則判斷是否允許請求
        if (!rateLimiter.allowRequest()) {
            throw new RuntimeException("Too many requests, please try again later.");
        }
        // 如果允許請求,則更新滑動窗口限流器,緩存過期時間設(shè)置為滑動窗口限流器時間窗口
        redisUtil.setCacheObject(key, rateLimiter, rateLimit.timeWindowMilliseconds(), TimeUnit.MILLISECONDS);
        // 允許執(zhí)行方法
        return joinPoint.proceed();
    }
}

應(yīng)用限流注解

在需要做限流的方法上加上注解,在注解參數(shù)中設(shè)定 允許的最大請求數(shù) 和 窗口時間長度(單位毫秒)

package com.example.demo.service.impl;
import com.example.demo.annotation.WindowRateLimit;
import com.example.demo.service.TestService;
import jakarta.annotation.Resource;
import org.springframework.stereotype.Service;
@Service
public class TestServiceImpl implements TestService {
    @Override
    @WindowRateLimit(limit = 5, timeWindowMilliseconds = 60L*1000) // 每最多允許5次請求
    public String getContent() {
        return "Hello Word";
    }
}

首次請求時,初始化滑動窗口限流器,記錄第一次請求的時間戳

窗口期內(nèi),記錄了五次請求的時間戳后,已達(dá)到我們在注解中設(shè)置的窗口期最大請求量

此時接口限流

到此這篇關(guān)于Java AOP實現(xiàn)自定義滑動窗口限流器方法詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java滑動窗口限流器內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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