动态限速

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2023-12-01

在应用开发中，经常会有对请求进行限速的需求。

通常意义上的限速，其实可以分为以下三种:

limit_rate 限制响应速度
limit_conn 限制连接数
limit_req 限制请求数

接下来让我们看看，这三种限速在 OpenResty 中分别怎么实现。

限制响应速度

Nginx 有一个 $limit_rate，这个变量反映的是当前请求每秒能响应的字节数。该字节数默认为配置文件中 limit_rate 指令的设值。一如既往，通过 OpenResty，我们可以直接在 Lua 代码中动态设置它。

access_by_lua_block {
    -- 设定当前请求的响应上限是 每秒 300K 字节
    ngx.var.limit_rate = "300K"
}

限制连接数和请求数

对于连接数和请求数的限制，我们可以求助于 OpenResty 官方的 lua-resty-limit-traffic 需要注意的是，lua-resty-limit-traffic 要求 OpenResty 版本在 1.11.2.2 以上（对应的 lua-nginx-module 版本是 0.10.6）。如果要配套更低版本的 OpenResty 使用，需要修改源码。比如把代码中涉及 incr(key, value, init) 方法，改成 incr(key, value) 和 set(key, init) 两步操作。这么改会增大有潜在 race condition 的区间。

lua-resty-limit-traffic 这个库是作用于所有 Nginx worker 的。由于数据同步上的局限，在限制请求数的过程中 lua-resty-limit-traffic 有一个 race condition 的区间，可能多放过几个请求。误差大小取决于 Nginx worker 数量。如果要求“宁可拖慢一千，不可放过一个”的精确度，恐怕就不能用这个库了。你可能需要使用 lua-resty-lock 或外部的锁服务，只是性能上的代价会更高。

lua-resty-limit-traffic 的限速实现基于漏桶原理。通俗地说，就是小学数学中，蓄水池一边注水一边放水的问题。这里注水的速度是新增请求/连接的速度，而放水的速度则是配置的限制速度。当注水速度快于放水速度（表现为池中出现蓄水），则返回一个数值 delay。调用者通过 ngx.sleep(delay) 来减慢注水的速度。当蓄水池满时（表现为当前请求/连接数超过设置的 burst 值），则返回错误信息 rejected。调用者需要丢掉溢出来的这部份。

下面是限制连接数的示例：

# nginx.conf
lua_code_cache on;
# 注意 limit_conn_store 的大小需要足够放置限流所需的键值。
# 每个 $binary_remote_addr 大小不会超过 16 字节(IPv6 情况下)，算上 lua_shared_dict 的节点大小，总共不到 64 字节。
# 100M 可以放 1.6M 个键值对
lua_shared_dict limit_conn_store 100M;
server {
    listen 8080;
    location / {
        access_by_lua_file src/access.lua;
        content_by_lua_file src/content.lua;
        log_by_lua_file src/log.lua;
    }
}

-- utils/limit_conn.lua
local limit_conn = require "resty.limit.conn"

-- new 的第四个参数用于估算每个请求会维持多长时间，以便于应用漏桶算法
local limit, limit_err = limit_conn.new("limit_conn_store", 10, 2, 0.05)
if not limit then
    error("failed to instantiate a resty.limit.conn object: ", limit_err)
end

local _M = {}

function _M.incoming()
    local key = ngx.var.binary_remote_addr
    local delay, err = limit:incoming(key, true)
    if not delay then
        if err == "rejected" then
            return ngx.exit(503)
        end
        ngx.log(ngx.ERR, "failed to limit req: ", err)
        return ngx.exit(500)
    end

    if limit:is_committed() then
        local ctx = ngx.ctx
        ctx.limit_conn_key = key
        ctx.limit_conn_delay = delay
    end

    if delay >= 0.001 then
        ngx.log(ngx.WARN, "delaying conn, excess ", delay,
                "s per binary_remote_addr by limit_conn_store")
        ngx.sleep(delay)
    end
end

function _M.leaving()
    local ctx = ngx.ctx
    local key = ctx.limit_conn_key
    if key then
        local latency = tonumber(ngx.var.request_time) - ctx.limit_conn_delay
        local conn, err = limit:leaving(key, latency)
        if not conn then
            ngx.log(ngx.ERR,
            "failed to record the connection leaving ",
            "request: ", err)
        end
    end
end

return _M

-- src/access.lua
local limit_conn = require "utils.limit_conn"


-- 对于内部重定向或子请求，不进行限制。因为这些并不是真正对外的请求。
if ngx.req.is_internal() then
    return
end
limit_conn.incoming()

-- src/log.lua
local limit_conn = require "utils.limit_conn"


limit_conn.leaving()

注意在限制连接的代码里面，我们用 ngx.ctx 来存储 limit_conn_key。这里有一个坑。内部重定向（比如调用了 ngx.exec）会销毁 ngx.ctx，导致 limit_conn:leaving() 无法正确调用。如果需要限连业务里有用到 ngx.exec，可以考虑改用 ngx.var 而不是 ngx.ctx，或者另外设计一套存储方式。只要能保证请求结束时能及时调用 limit:leaving() 即可。

限制请求数的实现差不多，这里就不赘述了。