寫在前面
最近，有不少讀者說看了我的文章后，學到了很多知識，其實我本人聽到后是非常開心的，自己寫的東西能夠為大家帶來幫助，確實是一件值得高興的事情。最近，也有不少小伙伴，看了我的文章后，順利拿到了大廠Offer，也有不少小伙伴一直在刷我的文章，提升自己的內功，最終成為自己公司的核心業務開發人員。在此，冰河確實為你們高興，希望小伙伴們能夠一如既往的學習，保持一顆持續學習的心態，在技術的道路上越走越遠。
今天寫些什么呢？想來想去，寫一篇關於高並發實戰的文章吧，對，就寫一下如何使用Nginx實現限流的文章吧。小伙伴們想看什么文章，可以在微信上給我留言，或者直接在公眾號留言。
限流措施
如果看過我寫的《【高並發】高並發秒殺系統架構解密，不是所有的秒殺都是秒殺！》一文的話，相信小伙伴們都會記得我說過的： 網上很多的文章和帖子中在介紹秒殺系統時，說是在下單時使用異步削峰來進行一些限流操作，那都是在扯淡！因為下單操作在整個秒殺系統的流程中屬於比較靠后的操作了，限流操作一定要前置處理，在秒殺業務后面的流程中做限流操作是沒啥卵用的。
Nginx作為一款高性能的Web代理和負載均衡服務器，往往會部署在一些互聯網應用比較前置的位置。此時，我們就可以在Nginx上進行設置，對訪問的IP地址和並發數進行相應的限制。
Nginx官方的限流模塊
Nginx官方版本限制IP的連接和並發分別有兩個模塊：
- limit_req_zone 用來限制單位時間內的請求數，即速率限制,采用的漏桶算法 "leaky bucket"。
- limit_req_conn 用來限制同一時間連接數，即並發限制。
limit_req_zone 參數配置
limit_req_zone參數說明
Syntax: limit_req zone=name [burst=number] [nodelay];
Default: —
Context: http, server, location
limit_req_zone $binary_remote_addr zone=one:10m rate=1r/s;
- 第一個參數：$binary_remote_addr 表示通過remote_addr這個標識來做限制，“binary_”的目的是縮寫內存占用量，是限制同一客戶端ip地址。
- 第二個參數：zone=one:10m表示生成一個大小為10M，名字為one的內存區域，用來存儲訪問的頻次信息。
- 第三個參數：rate=1r/s表示允許相同標識的客戶端的訪問頻次，這里限制的是每秒1次，還可以有比如30r/m的。
limit_req zone=one burst=5 nodelay;
- 第一個參數：zone=one 設置使用哪個配置區域來做限制，與上面limit_req_zone 里的name對應。
- 第二個參數：burst=5，重點說明一下這個配置，burst爆發的意思，這個配置的意思是設置一個大小為5的緩沖區當有大量請求（爆發）過來時，超過了訪問頻次限制的請求可以先放到這個緩沖區內。
- 第三個參數：nodelay，如果設置，超過訪問頻次而且緩沖區也滿了的時候就會直接返回503，如果沒有設置，則所有請求會等待排隊。
limit_req_zone示例
http {
limit_req_zone $binary_remote_addr zone=one:10m rate=1r/s;
server {
location /search/ {
limit_req zone=one burst=5 nodelay;
}
}
下面配置可以限制特定UA（比如搜索引擎）的訪問：
limit_req_zone $anti_spider zone=one:10m rate=10r/s;
limit_req zone=one burst=100 nodelay;
if ($http_user_agent ~* "googlebot|bingbot|Feedfetcher-Google") {
set $anti_spider $http_user_agent;
}
其他參數
Syntax: limit_req_log_level info | notice | warn | error;
Default:
limit_req_log_level error;
Context: http, server, location
當服務器由於limit被限速或緩存時，配置寫入日志。延遲的記錄比拒絕的記錄低一個級別。例子：limit_req_log_level notice延遲的的基本是info。
Syntax: limit_req_status code;
Default:
limit_req_status 503;
Context: http, server, location
設置拒絕請求的返回值。值只能設置 400 到 599 之間。
ngx_http_limit_conn_module 參數配置
ngx_http_limit_conn_module 參數說明
這個模塊用來限制單個IP的請求數。並非所有的連接都被計數。只有在服務器處理了請求並且已經讀取了整個請求頭時，連接才被計數。
Syntax: limit_conn zone number;
Default: —
Context: http, server, location
limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=addr:10m;
server {
location /download/ {
limit_conn addr 1;
}
一次只允許每個IP地址一個連接。
limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=perip:10m;
limit_conn_zone $server_name zone=perserver:10m;
server {
...
limit_conn perip 10;
limit_conn perserver 100;
}
可以配置多個limit_conn指令。例如，以上配置將限制每個客戶端IP連接到服務器的數量，同時限制連接到虛擬服務器的總數。
Syntax: limit_conn_zone key zone=name:size;
Default: —
Context: http
limit_conn_zone $binary_remote_addr zone=addr:10m;
在這里，客戶端IP地址作為關鍵。請注意，不是$ remote_addr，而是使用$ binary_remote_addr變量。 $ remote_addr變量的大小可以從7到15個字節不等。存儲的狀態在32位平台上占用32或64字節的內存，在64位平台上總是占用64字節。對於IPv4地址，$ binary_remote_addr變量的大小始終為4個字節，對於IPv6地址則為16個字節。存儲狀態在32位平台上始終占用32或64個字節，在64位平台上占用64個字節。一個兆字節的區域可以保持大約32000個32字節的狀態或大約16000個64字節的狀態。如果區域存儲耗盡，服務器會將錯誤返回給所有其他請求。
Syntax: limit_conn_log_level info | notice | warn | error;
Default:
limit_conn_log_level error;
Context: http, server, location
當服務器限制連接數時，設置所需的日志記錄級別。
Syntax: limit_conn_status code;
Default:
limit_conn_status 503;
Context: http, server, location
設置拒絕請求的返回值。
Nginx限流實戰
限制訪問速率
limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server {
location / {
limit_req zone=mylimit;
}
}
上述規則限制了每個IP訪問的速度為2r/s，並將該規則作用於根目錄。如果單個IP在非常短的時間內並發發送多個請求，結果會怎樣呢？
我們使用單個IP在10ms內發並發送了6個請求，只有1個成功，剩下的5個都被拒絕。我們設置的速度是2r/s，為什么只有1個成功呢，是不是Nginx限制錯了？當然不是，是因為Nginx的限流統計是基於毫秒的，我們設置的速度是2r/s，轉換一下就是500ms內單個IP只允許通過1個請求，從501ms開始才允許通過第二個請求。
burst緩存處理
我們看到，我們短時間內發送了大量請求，Nginx按照毫秒級精度統計，超出限制的請求直接拒絕。這在實際場景中未免過於苛刻，真實網絡環境中請求到來不是勻速的，很可能有請求“突發”的情況，也就是“一股子一股子”的。Nginx考慮到了這種情況，可以通過burst關鍵字開啟對突發請求的緩存處理，而不是直接拒絕。
來看我們的配置：
limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server {
location / {
limit_req zone=mylimit burst=4;
}
}
我們加入了burst=4，意思是每個key(此處是每個IP)最多允許4個突發請求的到來。如果單個IP在10ms內發送6個請求，結果會怎樣呢？
相比實例一成功數增加了4個，這個我們設置的burst數目是一致的。具體處理流程是：1個請求被立即處理，4個請求被放到burst隊列里，另外一個請求被拒絕。通過burst參數，我們使得Nginx限流具備了緩存處理突發流量的能力。
但是請注意：burst的作用是讓多余的請求可以先放到隊列里，慢慢處理。如果不加nodelay參數，隊列里的請求不會立即處理，而是按照rate設置的速度，以毫秒級精確的速度慢慢處理。
nodelay降低排隊時間
在使用burst緩存處理中，我們看到，通過設置burst參數，我們可以允許Nginx緩存處理一定程度的突發，多余的請求可以先放到隊列里，慢慢處理，這起到了平滑流量的作用。但是如果隊列設置的比較大，請求排隊的時間就會比較長，用戶角度看來就是RT變長了，這對用戶很不友好。有什么解決辦法呢？nodelay參數允許請求在排隊的時候就立即被處理，也就是說只要請求能夠進入burst隊列，就會立即被后台worker處理，請注意，這意味着burst設置了nodelay時，系統瞬間的QPS可能會超過rate設置的閾值。nodelay參數要跟burst一起使用才有作用。
延續burst緩存處理的配置，我們加入nodelay選項：
limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server {
location / {
limit_req zone=mylimit burst=4 nodelay;
}
}
單個IP 10ms內並發發送6個請求，結果如下：
跟burst緩存處理相比，請求成功率沒變化，但是總體耗時變短了。這怎么解釋呢？在burst緩存處理中，有4個請求被放到burst隊列當中，工作進程每隔500ms(rate=2r/s)取一個請求進行處理，最后一個請求要排隊2s才會被處理；這里，請求放入隊列跟burst緩存處理是一樣的，但不同的是，隊列中的請求同時具有了被處理的資格，所以這里的5個請求可以說是同時開始被處理的，花費時間自然變短了。
但是請注意，雖然設置burst和nodelay能夠降低突發請求的處理時間，但是長期來看並不會提高吞吐量的上限，長期吞吐量的上限是由rate決定的，因為nodelay只能保證burst的請求被立即處理，但Nginx會限制隊列元素釋放的速度，就像是限制了令牌桶中令牌產生的速度。
看到這里你可能會問，加入了nodelay參數之后的限速算法，到底算是哪一個“桶”，是漏桶算法還是令牌桶算法？當然還算是漏桶算法。考慮一種情況，令牌桶算法的token為耗盡時會怎么做呢？由於它有一個請求隊列，所以會把接下來的請求緩存下來，緩存多少受限於隊列大小。但此時緩存這些請求還有意義嗎？如果server已經過載，緩存隊列越來越長，RT越來越高，即使過了很久請求被處理了，對用戶來說也沒什么價值了。所以當token不夠用時，最明智的做法就是直接拒絕用戶的請求，這就成了漏桶算法。
自定義返回值
limit_req_zone $binary_remote_addr zone=mylimit:10m rate=2r/s;
server {
location / {
limit_req zone=mylimit burst=4 nodelay;
limit_req_status 598;
}
}
默認情況下 沒有配置 status 返回值的狀態：
好了，咱們今天就聊到這兒吧！別忘了給個在看和轉發，讓更多的人看到，一起學習一起進步！！
寫在最后
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