243961.md 20 KB
92 | 项目实战一：设计实现一个支持各种算法的限流框架（实现）
上一节课，我们介绍了如何通过合理的设计，来实现功能性需求的同时，满足易用、易扩展、灵活、低延迟、高容错等非功能性需求。在设计的过程中，我们也借鉴了之前讲过的一些开源项目的设计思想。比如，我们借鉴了Spring的低侵入松耦合、约定优于配置等设计思想，还借鉴了MyBatis通过MyBatis-Spring类库将框架的易用性做到极致等设计思路。
今天，我们讲解这样一个问题，针对限流框架的开发，如何做高质量的代码实现。说的具体点就是，如何利用之前讲过的设计思想、原则、模式、编码规范、重构技巧等，写出易读、易扩展、易维护、灵活、简洁、可复用、易测试的代码。
话不多少，让我们正式开始今天的学习吧！
V1版本功能需求
我们前面提到，优秀的代码是重构出来的，复杂的代码是慢慢堆砌出来的。小步快跑、逐步迭代是我比较推崇的开发模式。所以，针对限流框架，我们也不用想一下子就做得大而全。况且，在专栏有限的篇幅内，我们也不可能将一个大而全的代码阐述清楚。所以，我们可以先实现一个包含核心功能、基本功能的V1版本。
针对上两节课中给出的需求和设计，我们重新梳理一下，看看有哪些功能要放到V1版本中实现。
在V1版本中，对于接口类型，我们只支持HTTP接口（也就URL）的限流，暂时不支持RPC等其他类型的接口限流。对于限流规则，我们只支持本地文件配置，配置文件格式只支持YAML。对于限流算法，我们只支持固定时间窗口算法。对于限流模式，我们只支持单机限流。
尽管功能“裁剪”之后，V1版本实现起来简单多了，但在编程开发的同时，我们还是要考虑代码的扩展性，预留好扩展点。这样，在接下来的新版本开发中，我们才能够轻松地扩展新的限流算法、限流模式、限流规则格式和数据源。
最小原型代码
上节课我们讲到，项目实战中的实现等于面向对象设计加实现。而面向对象设计与实现一般可以分为四个步骤：划分职责识别类、定义属性和方法、定义类之间的交互关系、组装类并提供执行入口。在第14讲中，我还带你用这个方法，设计和实现了一个接口鉴权框架。如果你印象不深刻了，可以回过头去再看下。
不过，我们前面也讲到，在平时的工作中，大部分程序员都是边写代码边做设计，边思考边重构，并不会严格地按照步骤，先做完类的设计再去写代码。而且，如果想一下子就把类设计得很好、很合理，也是比较难的。过度追求完美主义，只会导致迟迟下不了手，连第一行代码也敲不出来。所以，我的习惯是，先完全不考虑设计和代码质量，先把功能完成，先把基本的流程走通，哪怕所有的代码都写在一个类中也无所谓。然后，我们再针对这个MVP代码（最小原型代码）做优化重构，比如，将代码中比较独立的代码块抽离出来，定义成独立的类或函数。
我们按照先写MVP代码的思路，把代码实现出来。它的目录结构如下所示。代码非常简单，只包含5个类，接下来，我们针对每个类一一讲解一下。
com.xzg.ratelimiter
--RateLimiter
com.xzg.ratelimiter.rule
--ApiLimit
--RuleConfig
--RateLimitRule
com.xzg.ratelimiter.alg
--RateLimitAlg
我们先来看下RateLimiter类。代码如下所示：
public class RateLimiter {
private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(RateLimiter.class);
// 为每个api在内存中存储限流计数器
private ConcurrentHashMap<String, RateLimitAlg> counters = new ConcurrentHashMap<>();
private RateLimitRule rule;
public RateLimiter() {
// 将限流规则配置文件ratelimiter-rule.yaml中的内容读取到RuleConfig中
InputStream in = null;
RuleConfig ruleConfig = null;
try {
in = this.getClass().getResourceAsStream("/ratelimiter-rule.yaml");
if (in != null) {
Yaml yaml = new Yaml();
ruleConfig = yaml.loadAs(in, RuleConfig.class);
}
} finally {
if (in != null) {
try {
in.close();
} catch (IOException e) {
log.error("close file error:{}", e);
}
}
}
// 将限流规则构建成支持快速查找的数据结构RateLimitRule
this.rule = new RateLimitRule(ruleConfig);
}
public boolean limit(String appId, String url) throws InternalErrorException {
ApiLimit apiLimit = rule.getLimit(appId, url);
if (apiLimit == null) {
return true;
}
// 获取api对应在内存中的限流计数器（rateLimitCounter）
String counterKey = appId + ":" + apiLimit.getApi();
RateLimitAlg rateLimitCounter = counters.get(counterKey);
if (rateLimitCounter == null) {
RateLimitAlg newRateLimitCounter = new RateLimitAlg(apiLimit.getLimit());
rateLimitCounter = counters.putIfAbsent(counterKey, newRateLimitCounter);
if (rateLimitCounter == null) {
rateLimitCounter = newRateLimitCounter;
}
}
// 判断是否限流
return rateLimitCounter.tryAcquire();
}
}
RateLimiter类用来串联整个限流流程。它先读取限流规则配置文件，映射为内存中的Java对象（RuleConfig），然后再将这个中间结构构建成一个支持快速查询的数据结构（RateLimitRule）。除此之外，这个类还提供供用户直接使用的最顶层接口（limit()接口）。
我们再来看下RuleConfig和ApiLimit两个类。代码如下所示：
public class RuleConfig {
private List<AppRuleConfig> configs;
public List<AppRuleConfig> getConfigs() {
return configs;
}
public void setConfigs(List<AppRuleConfig> configs) {
this.configs = configs;
}
public static class AppRuleConfig {
private String appId;
private List<ApiLimit> limits;
public AppRuleConfig() {}
public AppRuleConfig(String appId, List<ApiLimit> limits) {
this.appId = appId;
this.limits = limits;
}
//...省略getter、setter方法...
}
}
public class ApiLimit {
private static final int DEFAULT_TIME_UNIT = 1; // 1 second
private String api;
private int limit;
private int unit = DEFAULT_TIME_UNIT;
public ApiLimit() {}
public ApiLimit(String api, int limit) {
this(api, limit, DEFAULT_TIME_UNIT);
}
public ApiLimit(String api, int limit, int unit) {
this.api = api;
this.limit = limit;
this.unit = unit;
}
// ...省略getter、setter方法...
}
从代码中，我们可以看出来，RuleConfig类嵌套了另外两个类AppRuleConfig和ApiLimit。这三个类跟配置文件的三层嵌套结构完全对应。我把对应关系标注在了下面的示例中，你可以对照着代码看下。
configs: <!--对应RuleConfig-->
- appId: app-1 <!--对应AppRuleConfig-->
limits:
- api: /v1/user <!--对应ApiLimit-->
limit: 100
unit：60
- api: /v1/order
limit: 50
- appId: app-2
limits:
- api: /v1/user
limit: 50
- api: /v1/order
limit: 50
我们再来看下RateLimitRule这个类。
你可能会好奇，有了RuleConfig来存储限流规则，为什么还要RateLimitRule类呢？这是因为，限流过程中会频繁地查询接口对应的限流规则，为了尽可能地提高查询速度，我们需要将限流规则组织成一种支持按照URL快速查询的数据结构。考虑到URL的重复度比较高，且需要按照前缀来匹配，我们这里选择使用Trie树这种数据结构。我举了个例子解释一下，如下图所示。左边的限流规则对应到Trie树，就是图中右边的样子。
RateLimitRule的实现代码比较多，我就不在这里贴出来了，我只给出它的定义，如下所示。如果你感兴趣的话，可以自己实现一下，也可以参看我的另一个专栏《数据结构与算法之美》的第55讲。在那节课中，我们对各种接口匹配算法有非常详细的讲解。
public class RateLimitRule {
public RateLimitRule(RuleConfig ruleConfig) {
//...
}
public ApiLimit getLimit(String appId, String api) {
//...
}
}
最后，我们看下RateLimitAlg这个类。
这个类是限流算法实现类。它实现了最简单的固定时间窗口限流算法。每个接口都要在内存中对应一个RateLimitAlg对象，记录在当前时间窗口内已经被访问的次数。RateLimitAlg类的代码如下所示。对于代码的算法逻辑，你可以看下上节课中对固定时间窗口限流算法的讲解。
public class RateLimitAlg {
/* timeout for {@code Lock.tryLock() }. */
private static final long TRY_LOCK_TIMEOUT = 200L; // 200ms.
private Stopwatch stopwatch;
private AtomicInteger currentCount = new AtomicInteger(0);
private final int limit;
private Lock lock = new ReentrantLock();
public RateLimitAlg(int limit) {
this(limit, Stopwatch.createStarted());
}
@VisibleForTesting
protected RateLimitAlg(int limit, Stopwatch stopwatch) {
this.limit = limit;
this.stopwatch = stopwatch;
}
public boolean tryAcquire() throws InternalErrorException {
int updatedCount = currentCount.incrementAndGet();
if (updatedCount <= limit) {
return true;
}
try {
if (lock.tryLock(TRY_LOCK_TIMEOUT, TimeUnit.MILLISECONDS)) {
try {
if (stopwatch.elapsed(TimeUnit.MILLISECONDS) > TimeUnit.SECONDS.toMillis(1)) {
currentCount.set(0);
stopwatch.reset();
}
updatedCount = currentCount.incrementAndGet();
return updatedCount <= limit;
} finally {
lock.unlock();
}
} else {
throw new InternalErrorException("tryAcquire() wait lock too long:" + TRY_LOCK_TIMEOUT + "ms");
}
} catch (InterruptedException e) {
throw new InternalErrorException("tryAcquire() is interrupted by lock-time-out.", e);
}
}
}
Review最小原型代码
刚刚给出的MVP代码，虽然总共也就200多行，但已经实现了V1版本中规划的功能。不过，从代码质量的角度来看，它还有很多值得优化的地方。现在，我们现在站在一个Code Reviewer的角度，来分析一下这段代码的设计和实现。
结合SOLID、DRY、KISS、LOD、基于接口而非实现编程、高内聚松耦合等经典的设计思想和原则，以及编码规范，我们从代码质量评判标准的角度重点剖析一下，这段代码在可读性、扩展性等方面的表现。其他方面的表现，比如复用性、可测试性等，这些你可以比葫芦画瓢，自己来进行分析。
首先，我们来看下代码的可读性。
影响代码可读性的因素有很多。我们重点关注目录设计（package包）是否合理、模块划分是否清晰、代码结构是否高内聚低耦合，以及是否符合统一的编码规范这几点。
因为涉及的代码不多，目录结构前面也给出了，总体来说比较简单，所以目录设计、包的划分没有问题。
按照上节课中的模块划分，RuleConfig、ApiLimit、RateLimitRule属于“限流规则”模块，负责限流规则的构建和查询。RateLimitAlg属于“限流算法”模块，提供了基于内存的单机固定时间窗口限流算法。RateLimiter类属于“集成使用”模块，作为最顶层类，组装其他类，提供执行入口（也就是调用入口）。不过，RateLimiter类作为执行入口，我们希望它只负责组装工作，而不应该包含具体的业务逻辑，所以，RateLimiter类中，从配置文件中读取限流规则这块逻辑，应该拆分出来设计成独立的类。
如果我们把类与类之间的依赖关系图画出来，你会发现，它们之间的依赖关系很简单，每个类的职责也比较单一，所以类的设计满足单一职责原则、LOD迪米特法则、高内聚松耦合的要求。
从编码规范上来讲，没有超级大的类、函数、代码块。类、函数、变量的命名基本能达意，也符合最小惊奇原则。虽然，有些命名不能一眼就看出是干啥的，有些命名采用了缩写，比如RateLimitAlg，但是我们起码能猜个八九不离十，结合注释（限于篇幅注释都没有写，并不代表不需要写），很容易理解和记忆。
总结一下，在最小原型代码中，目录设计、代码结构、模块划分、类的设计还算合理清晰，基本符合编码规范，代码的可读性不错！
其次，我们再来看下代码的扩展性。
实际上，这段代码最大的问题就是它的扩展性，也是我们最关注的，毕竟后续还有更多版本的迭代开发。编写可扩展代码，关键是要建立扩展意识。这就像下象棋，我们要多往前想几步，为以后做准备。在写代码的时候，我们要时刻思考，这段代码如果要扩展新的功能，那是否可以在尽量少改动代码的情况下完成，还是需要要大动干戈，推倒重写。
具体到MVP代码，不易扩展的最大原因是，没有遵循基于接口而非实现的编程思想，没有接口抽象意识。比如，RateLimitAlg类只是实现了固定时间窗口限流算法，也没有提炼出更加抽象的算法接口。如果我们要替换其他限流算法，就要改动比较多的代码。其他类的设计也有同样的问题，比如RateLimitRule。
除此之外，在RateLimiter类中，配置文件的名称、路径，是硬编码在代码中的。尽管我们说约定优于配置，但也要兼顾灵活性，能够让用户在需要的时候，自定义配置文件名称、路径。而且，配置文件的格式只支持Yaml，之后扩展其他格式，需要对这部分代码做很大的改动。
重构最小原型代码
根据刚刚对MVP代码的剖析，我们发现，它的可读性没有太大问题，问题主要在于可扩展性。主要的修改点有两个，一个是将RateLimiter中的规则配置文件的读取解析逻辑拆出来，设计成独立的类，另一个是参照基于接口而非实现编程思想，对于RateLimitRule、RateLimitAlg类提炼抽象接口。
按照这个修改思路，我们对代码进行重构。重构之后的目录结构如下所示。我对每个类都稍微做了说明，你可以对比着重构前的目录结构来看。
// 重构前：
com.xzg.ratelimiter
--RateLimiter
com.xzg.ratelimiter.rule
--ApiLimit
--RuleConfig
--RateLimitRule
com.xzg.ratelimiter.alg
--RateLimitAlg
// 重构后：
com.xzg.ratelimiter
--RateLimiter(有所修改)
com.xzg.ratelimiter.rule
--ApiLimit(不变)
--RuleConfig(不变)
--RateLimitRule(抽象接口)
--TrieRateLimitRule(实现类，就是重构前的RateLimitRule）
com.xzg.ratelimiter.rule.parser
--RuleConfigParser(抽象接口)
--YamlRuleConfigParser(Yaml格式配置文件解析类)
--JsonRuleConfigParser(Json格式配置文件解析类)
com.xzg.ratelimiter.rule.datasource
--RuleConfigSource(抽象接口)
--FileRuleConfigSource(基于本地文件的配置类)
com.xzg.ratelimiter.alg
--RateLimitAlg(抽象接口)
--FixedTimeWinRateLimitAlg(实现类，就是重构前的RateLimitAlg)
其中，RateLimiter类重构之后的代码如下所示。代码的改动集中在构造函数中，通过调用RuleConfigSource来实现了限流规则配置文件的加载。
public class RateLimiter {
private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(RateLimiter.class);
// 为每个api在内存中存储限流计数器
private ConcurrentHashMap<String, RateLimitAlg> counters = new ConcurrentHashMap<>();
private RateLimitRule rule;
public RateLimiter() {
//改动主要在这里：调用RuleConfigSource类来实现配置加载
RuleConfigSource configSource = new FileRuleConfigSource();
RuleConfig ruleConfig = configSource.load();
this.rule = new TrieRateLimitRule(ruleConfig);
}
public boolean limit(String appId, String url) throws InternalErrorException, InvalidUrlException {
//...代码不变...
}
}
我们再来看下，从RateLimiter中拆分出来的限流规则加载的逻辑，现在是如何设计的。这部分涉及的类主要是下面几个。我把关键代码也贴在了下面。其中，各个Parser和RuleConfigSource类的设计有点类似策略模式，如果要添加新的格式的解析，只需要实现对应的Parser类，并且添加到FileRuleConfig类的PARSER_MAP中就可以了。
com.xzg.ratelimiter.rule.parser
--RuleConfigParser(抽象接口)
--YamlRuleConfigParser(Yaml格式配置文件解析类)
--JsonRuleConfigParser(Json格式配置文件解析类)
com.xzg.ratelimiter.rule.datasource
--RuleConfigSource(抽象接口)
--FileRuleConfigSource(基于本地文件的配置类)
public interface RuleConfigParser {
RuleConfig parse(String configText);
RuleConfig parse(InputStream in);
}
public interface RuleConfigSource {
RuleConfig load();
}
public class FileRuleConfigSource implements RuleConfigSource {
private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(FileRuleConfigSource.class);
public static final String API_LIMIT_CONFIG_NAME = "ratelimiter-rule";
public static final String YAML_EXTENSION = "yaml";
public static final String YML_EXTENSION = "yml";
public static final String JSON_EXTENSION = "json";
private static final String[] SUPPORT_EXTENSIONS =
new String[] {YAML_EXTENSION, YML_EXTENSION, JSON_EXTENSION};
private static final Map<String, RuleConfigParser> PARSER_MAP = new HashMap<>();
static {
PARSER_MAP.put(YAML_EXTENSION, new YamlRuleConfigParser());
PARSER_MAP.put(YML_EXTENSION, new YamlRuleConfigParser());
PARSER_MAP.put(JSON_EXTENSION, new JsonRuleConfigParser());
}
@Override
public RuleConfig load() {
for (String extension : SUPPORT_EXTENSIONS) {
InputStream in = null;
try {
in = this.getClass().getResourceAsStream("/" + getFileNameByExt(extension));
if (in != null) {
RuleConfigParser parser = PARSER_MAP.get(extension);
return parser.parse(in);
}
} finally {
if (in != null) {
try {
in.close();
} catch (IOException e) {
log.error("close file error:{}", e);
}
}
}
}
return null;
}
private String getFileNameByExt(String extension) {
return API_LIMIT_CONFIG_NAME + "." + extension;
}
}
重点回顾
好了，今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下，你需要重点掌握的内容。
优秀的代码是重构出来的，复杂的代码是慢慢堆砌出来的。小步快跑、逐步迭代是我比较推崇的开发模式。追求完美主义会让我们迟迟无法下手。所以，为了克服这个问题，一方面，我们可以规划多个小版本来开发，不断迭代优化；另一方面，在编程实现的过程中，我们可以先实现MVP代码，以此来优化重构。
如何对MVP代码优化重构呢？我们站在Code Reviewer的角度，结合SOLID、DRY、KISS、LOD、基于接口而非实现编程、高内聚松耦合等经典的设计思想和原则，以及编码规范，从代码质量评判标准的角度，来剖析代码在可读性、扩展性、可维护性、灵活、简洁、复用性、可测试性等方面的表现，并且针对性地去优化不足。
课堂讨论
- 针对MVP代码，如果让你做code review，你还能发现哪些问题？如果让你做重构，你还会做哪些修改和优化？
- 如何重构代码，支持自定义限流规则配置文件名和路径？如果你熟悉Java，你可以去了解一下Spring的设计思路，看看如何借鉴到限流框架中来解决这个问题？
欢迎留言和我分享你的想法。如果有收获，也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。