Nginx源码研究之nginx限流模块详解

高并发系统有三把利器：缓存、降级和限流；

限流的目的是通过对并发访问/请求进行限速来保护系统，一旦达到限制速率则可以拒绝服务（定向到错误页）、排队等待（秒杀）、降级（返回兜底数据或默认数据）；

高并发系统常见的限流有：限制总并发数（数据库连接池）、限制瞬时并发数（如nginx的limit_conn模块，用来限制瞬时并发连接数）、限制时间窗口内的平均速率（nginx的limit_req模块，用来限制每秒的平均速率）；

另外还可以根据网络连接数、网络流量、CPU或内存负载等来限流。

1.限流算法

最简单粗暴的限流算法就是计数器法了，而比较常用的有漏桶算法和令牌桶算法；

1.1计数器

计数器法是限流算法里最简单也是最容易实现的一种算法。比如我们规定，对于A接口来说，我们1分钟的访问次数不能超过100个。

那么我们我们可以设置一个计数器counter，其有效时间为1分钟（即每分钟计数器会被重置为0），每当一个请求过来的时候，counter就加1，如果counter的值大于100，就说明请求数过多；

这个算法虽然简单，但是有一个十分致命的问题，那就是临界问题。

如下图所示，在1:00前一刻到达100个请求，1:00计数器被重置，1:00后一刻又到达100个请求，显然计数器不会超过100，所有请求都不会被拦截；

然而这一时间段内请求数已经达到200，远超100。

1.2 漏桶算法

如下图所示，有一个固定容量的漏桶，按照常量固定速率流出水滴；如果桶是空的，则不会流出水滴；流入到漏桶的水流速度是随意的；如果流入的水超出了桶的容量，则流入的水会溢出（被丢弃）；

可以看到漏桶算法天生就限制了请求的速度，可以用于流量整形和限流控制；

1.3 令牌桶算法

令牌桶是一个存放固定容量令牌的桶，按照固定速率r往桶里添加令牌；桶中最多存放b个令牌，当桶满时，新添加的令牌被丢弃；

当一个请求达到时，会尝试从桶中获取令牌；如果有，则继续处理请求；如果没有则排队等待或者直接丢弃；

可以发现，漏桶算法的流出速率恒定或者为0，而令牌桶算法的流出速率却有可能大于r；

2.nginx基础知识

Nginx主要有两种限流方式：按连接数限流(ngx_http_limit_conn_module)、按请求速率限流(ngx_http_limit_req_module)；

学习限流模块之前还需要了解nginx对HTTP请求的处理过程，nginx事件处理流程等；

2.1HTTP请求处理过程

nginx将HTTP请求处理流程分为11个阶段，绝大多数HTTP模块都会将自己的handler添加到某个阶段（其中有4个阶段不能添加自定义handler），nginx处理HTTP请求时会挨个调用所有的handler；

typedef enum { NGX_HTTP_POST_READ_PHASE = 0, //目前只有realip模块会注册handler（nginx作为代理服务器时有用，后端以此获取客户端原始ip）  NGX_HTTP_SERVER_REWRITE_PHASE, //server块中配置了rewrite指令，重写url  NGX_HTTP_FIND_CONFIG_PHASE, //查找匹配location；不能自定义handler； NGX_HTTP_REWRITE_PHASE,  //location块中配置了rewrite指令，重写url NGX_HTTP_POST_REWRITE_PHASE, //检查是否发生了url重写，如果有，重新回到FIND_CONFIG阶段；不能自定义handler；  NGX_HTTP_PREACCESS_PHASE,  //访问控制，限流模块会注册handler到此阶段  NGX_HTTP_ACCESS_PHASE,  //访问权限控制 NGX_HTTP_POST_ACCESS_PHASE, //根据访问权限控制阶段做相应处理；不能自定义handler；  NGX_HTTP_TRY_FILES_PHASE,  //只有配置了try_files指令，才会有此阶段；不能自定义handler； NGX_HTTP_CONTENT_PHASE,  //内容产生阶段，返回响应给客户端  NGX_HTTP_LOG_PHASE   //日志记录} ngx_http_phases;