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【Nginx源码研究】nginx限流模块详解

2018.09.25 15:06 1508浏览

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。

https://img3.sycdn.imooc.com/5ba9dd68000134ff13860536.jpg

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;

https://img3.sycdn.imooc.com/5ba9dd760001856305820948.jpg

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;

https://img2.sycdn.imooc.com/5ba9dd9700019b9209440606.jpg

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;

nginx使用结构体ngx_module_s表示一个模块,其中字段ctx,是一个指向模块上下文结构体的指针;nginx的HTTP模块上下文结构体如下所示(上下文结构体的字段都是一些函数指针):

typedef struct {    ngx_int_t   (*preconfiguration)(ngx_conf_t *cf);    ngx_int_t   (*postconfiguration)(ngx_conf_t *cf);  //此方法注册handler到相应阶段
 
    void       *(*create_main_conf)(ngx_conf_t *cf);   //http块中的主配置
    char       *(*init_main_conf)(ngx_conf_t *cf, void *conf); 
    void       *(*create_srv_conf)(ngx_conf_t *cf);    //server配置
    char       *(*merge_srv_conf)(ngx_conf_t *cf, void *prev, void *conf); 
    void       *(*create_loc_conf)(ngx_conf_t *cf);    //location配置
    char       *(*merge_loc_conf)(ngx_conf_t *cf, void *prev, void *conf);
} ngx_http_module_t;

以ngx_http_limit_req_module模块为例,postconfiguration方法简单实现如下:

static ngx_int_t ngx_http_limit_req_init(ngx_conf_t *cf){
    h = ngx_array_push(&cmcf->phases[NGX_HTTP_PREACCESS_PHASE].handlers);
    
    *h = ngx_http_limit_req_handler;  //ngx_http_limit_req_module模块的限流方法;nginx处理HTTP请求时,都会调用此方法判断应该继续执行还是拒绝请求
 
    return NGX_OK;
}

2.2 nginx事件处理简单介绍

假设nginx使用的是epoll。

nginx需要将所有关心的fd注册到epoll,添加方法生命如下:

static ngx_int_t ngx_epoll_add_event(ngx_event_t *ev, ngx_int_t event, ngx_uint_t flags);

方法第一个参数是ngx_event_t结构体指针,代表关心的一个读或者写事件;nginx为事件可能会设置一个超时定时器,从而能够处理事件超时情况;定义如下:

struct ngx_event_s {
    
    ngx_event_handler_pt  handler; //函数指针:事件的处理函数
 
    ngx_rbtree_node_t   timer;     //超时定时器,存储在红黑树中(节点的key即为事件的超时时间)
 
    unsigned         timedout:1;   //记录事件是否超时
 };

一般都会循环调用epoll_wait监听所有fd,处理发生的读写事件;epoll_wait是阻塞调用,最后一个参数timeout是超时时间,即最多阻塞timeout时间如果还是没有事件发生,方法会返回;

nginx在设置超时时间timeout时,会从上面说的记录超时定时器的红黑树中查找最近要到时的节点,以此作为epoll_wait的超时时间,如下面代码所示;

ngx_msec_t ngx_event_find_timer(void)
{    node = ngx_rbtree_min(root, sentinel);
    timer = (ngx_msec_int_t) (node->key - ngx_current_msec);
 
    return (ngx_msec_t) (timer > 0 ? timer : 0);
}

同时nginx在每次循环的最后,会从红黑树中查看是否有事件已经过期,如果过期,标记timeout=1,并调用事件的handler;

void ngx_event_expire_timers(void){    for ( ;; ) {
        node = ngx_rbtree_min(root, sentinel); 
        if ((ngx_msec_int_t) (node->key - ngx_current_msec) <= 0) {  //当前事件已经超时
            ev = (ngx_event_t *) ((char *) node - offsetof(ngx_event_t, timer));
 
            ev->timedout = 1;
 
            ev->handler(ev); 
            continue;
        } 
        break;
    }
}

nginx就是通过上面的方法实现了socket事件的处理,定时事件的处理;

  1. ngx_http_limit_req_module模块解析

=====

ngx_http_limit_req_module模块是对请求进行限流,即限制某一时间段内用户的请求速率;且使用的是令牌桶算法;

3.1配置指令

ngx_http_limit_req_module模块提供一下配置指令,供用户配置限流策略

//每个配置指令主要包含两个字段:名称,解析配置的处理方法static ngx_command_t  ngx_http_limit_req_commands[] = { 
    //一般用法:limit_req_zone $binary_remote_addr zone=one:10m rate=1r/s;
    //$binary_remote_addr表示远程客户端IP;
    //zone配置一个存储空间(需要分配空间记录每个客户端的访问速率,超时空间限制使用lru算法淘汰;注意此空间是在共享内存分配的,所有worker进程都能访问)
    //rate表示限制速率,此例为1qps
    { ngx_string("limit_req_zone"),
      ngx_http_limit_req_zone,
     }, 
    //用法:limit_req zone=one burst=5 nodelay;
    //zone指定使用哪一个共享空间
    //超出此速率的请求是直接丢弃吗?burst配置用于处理突发流量,表示最大排队请求数目,当客户端请求速率超过限流速率时,请求会排队等待;而超出burst的才会被直接拒绝;
    //nodelay必须与burst一起使用;此时排队等待的请求会被优先处理;否则假如这些请求依然按照限流速度处理,可能等到服务器处理完成后,客户端早已超时
    { ngx_string("limit_req"),
      ngx_http_limit_req,
     }, 
    //当请求被限流时,日志记录级别;用法:limit_req_log_level info | notice | warn | error;
    { ngx_string("limit_req_log_level"),
      ngx_conf_set_enum_slot,
     }, 
    //当请求被限流时,给客户端返回的状态码;用法:limit_req_status 503
    { ngx_string("limit_req_status"),
      ngx_conf_set_num_slot,
    },
};

注意:$binary_remote_addr是nginx提供的变量,用户在配置文件中可以直接使用;nginx还提供了许多变量,在ngx_http_variable.c文件中查找ngx_http_core_variables数组即可:

static ngx_http_variable_t  ngx_http_core_variables[] = {
 
    { ngx_string("http_host"), NULL, ngx_http_variable_header,
      offsetof(ngx_http_request_t, headers_in.host), 0, 0 },
 
    { ngx_string("http_user_agent"), NULL, ngx_http_variable_header,
      offsetof(ngx_http_request_t, headers_in.user_agent), 0, 0 },
    …………
}

3.2源码解析

ngx_http_limit_req_module在postconfiguration过程会注册ngx_http_limit_req_handler方法到HTTP处理的NGX_HTTP_PREACCESS_PHASE阶段;

ngx_http_limit_req_handler会执行漏桶算法,判断是否超出配置的限流速率,从而进行丢弃或者排队或者通过;

当用户第一次请求时,会新增一条记录(主要记录访问计数、访问时间),以客户端IP地址(配置$binary_remote_addr)的hash值作为key存储在红黑树中(快速查找),同时存储在LRU队列中(存储空间不够时,淘汰记录,每次都是从尾部删除);当用户再次请求时,会从红黑树中查找这条记录并更新,同时移动记录到LRU队列首部;

3.2.1数据结构


limit_req_zone配置限流算法所需的存储空间(名称及大小),限流速度,限流变量(客户端IP等),结构如下:

typedef struct {    ngx_http_limit_req_shctx_t  *sh;    ngx_slab_pool_t             *shpool;//内存池
    ngx_uint_t                   rate; //限流速度(qps乘以1000存储)
    ngx_int_t                    index; //变量索引(nginx提供了一系列变量,用户配置的限流变量索引)
    ngx_str_t                    var;   //限流变量名称
    ngx_http_limit_req_node_t   *node;
} ngx_http_limit_req_ctx_t; 
//同时会初始化共享存储空间struct ngx_shm_zone_s {    void                     *data;  //data指向ngx_http_limit_req_ctx_t结构
    ngx_shm_t                 shm;   //共享空间
    ngx_shm_zone_init_pt      init;  //初始化方法函数指针
    void                     *tag;   //指向ngx_http_limit_req_module结构体};

limit_req配置限流使用的存储空间,排队队列大小,是否紧急处理,结构如下:

typedef struct {    ngx_shm_zone_t              *shm_zone;  //共享存储空间
     
    ngx_uint_t                   burst;     //队列大小
    ngx_uint_t                   nodelay;   //有请求排队时是否紧急处理,与burst配合使用(如果配置,则会紧急处理排队请求,否则依然按照限流速度处理)} ngx_http_limit_req_limit_t;

https://img1.sycdn.imooc.com/5ba9ddb600013de913980680.jpg

前面说过用户访问记录会同时存储在红黑树与LRU队列中,结构如下:

//记录结构体typedef struct {
    u_char                       color;
    u_char                       dummy;
    u_short                      len;    //数据长度
    ngx_queue_t                  queue; 
    ngx_msec_t                   last;   //上次访问时间
     
    ngx_uint_t                   excess; //当前剩余待处理的请求数(nginx用此实现令牌桶限流算法)
    ngx_uint_t                   count;  //此类记录请求的总数
    u_char                       data[1];//数据内容(先按照key(hash值)查找,再比较数据内容是否相等)} ngx_http_limit_req_node_t; 
//红黑树节点,key为用户配置限流变量的hash值;struct ngx_rbtree_node_s {    ngx_rbtree_key_t       key;    ngx_rbtree_node_t     *left;    ngx_rbtree_node_t     *right;    ngx_rbtree_node_t     *parent;
    u_char                 color;
    u_char                 data;
}; 
 
typedef struct {    ngx_rbtree_t                  rbtree; //红黑树
    ngx_rbtree_node_t             sentinel; //NIL节点
    ngx_queue_t                   queue; //LRU队列} ngx_http_limit_req_shctx_t; 
//队列只有prev和next指针struct ngx_queue_s {    ngx_queue_t  *prev;    ngx_queue_t  *next;
};

思考1:ngx_http_limit_req_node_t记录通过prev和next指针形成双向链表,实现LRU队列;最新访问的节点总会被插入链表头部,淘汰时从尾部删除节点;

https://img4.sycdn.imooc.com/5ba9ddc90001225912980586.jpg

ngx_http_limit_req_ctx_t *ctx;
ngx_queue_t                *q;
 
q = ngx_queue_last(&ctx->sh->queue);
 
lr = ngx_queue_data(q, ngx_http_limit_req_node_t, queue);//此方法由ngx_queue_t获取ngx_http_limit_req_node_t结构首地址,实现如下:
 #define ngx_queue_data(q, type, link)    (type *) ((u_char *) q - offsetof(type, link)) //queue字段地址减去其在结构体中偏移,为结构体首地址

思考2:限流算法首先使用key查找红黑树节点,从而找到对应的记录,红黑树节点如何与记录ngx_http_limit_req_node_t结构关联起来呢?在ngx_http_limit_req_module模块可以找到以代码:

size = offsetof(ngx_rbtree_node_t, color)    //新建记录分配内存,计算所需空间大小
       + offsetof(ngx_http_limit_req_node_t, data)
       + len; 
node = ngx_slab_alloc_locked(ctx->shpool, size); 
node->key = hash; 
lr = (ngx_http_limit_req_node_t *) &node->color; //color为u_char类型,为什么能强制转换为ngx_http_limit_req_node_t指针类型呢?
 lr->len = (u_char) len;lr->excess = 0; 
ngx_memcpy(lr->data, data, len); 
ngx_rbtree_insert(&ctx->sh->rbtree, node); 
ngx_queue_insert_head(&ctx->sh->queue, &lr->queue);

通过分析上面代码,ngx_rbtree_node_s结构体的color与data字段其实是无意义的,结构体的生命形式与最终存储形式是不同的,nginx最终使用以下存储形式存储每条记录;

https://img1.sycdn.imooc.com/5ba9ddde00017d6613600792.jpg

3.2.2限流算法


上面提到在postconfiguration过程会注册ngx_http_limit_req_handler方法到HTTP处理的NGX_HTTP_PREACCESS_PHASE阶段;

因此在处理HTTP请求时,会执行ngx_http_limit_req_handler方法判断是否需要限流;

3.2.2.1漏桶算法实现


用户可能同时配置若干限流,因此对于HTTP请求,nginx需要遍历所有限流策略,判断是否需要限流;

ngx_http_limit_req_lookup方法实现了漏桶算法,方法返回3种结果:

  • NGX_BUSY:请求速率超出限流配置,拒绝请求;

  • NGX_AGAIN:请求通过了当前限流策略校验,继续校验下一个限流策略;

  • NGX_OK:请求已经通过了所有限流策略的校验,可以执行下一阶段;

  • NGX_ERROR:出错

//limit,限流策略;hash,记录key的hash值;data,记录key的数据内容;len,记录key的数据长度;ep,待处理请求数目;account,是否是最后一条限流策略static ngx_int_t ngx_http_limit_req_lookup(ngx_http_limit_req_limit_t *limit, ngx_uint_t hash, u_char *data, size_t len, ngx_uint_t *ep, ngx_uint_t account)
{    //红黑树查找指定界定
    while (node != sentinel) { 
        if (hash < node->key) {            node = node->left;
            continue;
        } 
        if (hash > node->key) {            node = node->right;
            continue;
        } 
        //hash值相等,比较数据是否相等
        lr = (ngx_http_limit_req_node_t *) &node->color; 
        rc = ngx_memn2cmp(data, lr->data, len, (size_t) lr->len);        //查找到
        if (rc == 0) {            ngx_queue_remove(&lr->queue);            ngx_queue_insert_head(&ctx->sh->queue, &lr->queue); //将记录移动到LRU队列头部
     
            ms = (ngx_msec_int_t) (now - lr->last); //当前时间减去上次访问时间
 
            excess = lr->excess - ctx->rate * ngx_abs(ms) / 1000 + 1000; //待处理请求书-限流速率*时间段+1个请求(速率,请求数等都乘以1000了)
 
            if (excess < 0) {
                excess = 0;
            }
 
            *ep = excess; 
            //待处理数目超过burst(等待队列大小),返回NGX_BUSY拒绝请求(没有配置burst时,值为0)
            if ((ngx_uint_t) excess > limit->burst) {
                return NGX_BUSY;
            } 
            if (account) {  //如果是最后一条限流策略,则更新上次访问时间,待处理请求数目,返回NGX_OK
                lr->excess = excess;                lr->last = now;
                return NGX_OK;
            }            //访问次数递增
            lr->count++; 
            ctx->node = lr;
 
            return NGX_AGAIN; //非最后一条限流策略,返回NGX_AGAIN,继续校验下一条限流策略
        } 
        node = (rc < 0) ? node->left : node->right;
    } 
    //假如没有查找到节点,需要新建一条记录
    *ep = 0;    //存储空间大小计算方法参照3.2.1节数据结构
    size = offsetof(ngx_rbtree_node_t, color)
            + offsetof(ngx_http_limit_req_node_t, data)
            + len;    //尝试淘汰记录(LRU)
    ngx_http_limit_req_expire(ctx, 1); 
     
    node = ngx_slab_alloc_locked(ctx->shpool, size);//分配空间
    if (node == NULL) {  //空间不足,分配失败
        ngx_http_limit_req_expire(ctx, 0); //强制淘汰记录
 
        node = ngx_slab_alloc_locked(ctx->shpool, size); //分配空间
        if (node == NULL) { //分配失败,返回NGX_ERROR
            return NGX_ERROR;
        }
    } 
    node->key = hash;  //赋值
    lr = (ngx_http_limit_req_node_t *) &node->color;    lr->len = (u_char) len;    lr->excess = 0;    ngx_memcpy(lr->data, data, len); 
    ngx_rbtree_insert(&ctx->sh->rbtree, node);  //插入记录到红黑树与LRU队列
    ngx_queue_insert_head(&ctx->sh->queue, &lr->queue); 
    if (account) { //如果是最后一条限流策略,则更新上次访问时间,待处理请求数目,返回NGX_OK
        lr->last = now;        lr->count = 0;
        return NGX_OK;
    } 
    lr->last = 0;    lr->count = 1; 
    ctx->node = lr;
 
    return NGX_AGAIN;  //非最后一条限流策略,返回NGX_AGAIN,继续校验下一条限流策略
     }

举个例子,假如burst配置为0,待处理请求数初始为excess;令牌产生周期为T;如下图所示

https://img2.sycdn.imooc.com/5ba9ddf30001fb2811140626.jpg

3.2.2.2LRU淘汰策略


上一节叩痛算法中,会执行ngx_http_limit_req_expire淘汰一条记录,每次都是从LRU队列末尾删除;

第二个参数n,当n==0时,强制删除末尾一条记录,之后再尝试删除一条或两条记录;n==1时,会尝试删除一条或两条记录;代码实现如下:

static void ngx_http_limit_req_expire(ngx_http_limit_req_ctx_t *ctx, ngx_uint_t n)
{    //最多删除3条记录
    while (n < 3) {        //尾部节点
        q = ngx_queue_last(&ctx->sh->queue);        //获取记录
        lr = ngx_queue_data(q, ngx_http_limit_req_node_t, queue);         
        //注意:当为0时,无法进入if代码块,因此一定会删除尾部节点;当n不为0时,进入if代码块,校验是否可以删除
        if (n++ != 0) { 
            ms = (ngx_msec_int_t) (now - lr->last);
            ms = ngx_abs(ms);            //短时间内被访问,不能删除,直接返回
            if (ms < 60000) {
                return;
            }             
            //有待处理请求,不能删除,直接返回
            excess = lr->excess - ctx->rate * ms / 1000;            if (excess > 0) {
                return;
            }
        } 
        //删除
        ngx_queue_remove(q);
 
        node = (ngx_rbtree_node_t *)
                   ((u_char *) lr - offsetof(ngx_rbtree_node_t, color)); 
        ngx_rbtree_delete(&ctx->sh->rbtree, node); 
        ngx_slab_free_locked(ctx->shpool, node);
    }
}

3.2.2.3 burst实现


burst是为了应对突发流量的,偶然间的突发流量到达时,应该允许服务端多处理一些请求才行;

当burst为0时,请求只要超出限流速率就会被拒绝;当burst大于0时,超出限流速率的请求会被排队等待 处理,而不是直接拒绝;

排队过程如何实现?而且nginx还需要定时去处理排队中的请求;

2.2小节提到事件都有一个定时器,nginx是通过事件与定时器配合实现请求的排队与定时处理;

ngx_http_limit_req_handler方法有下面的代码:

//计算当前请求还需要排队多久才能处理delay = ngx_http_limit_req_account(limits, n, &excess, &limit);//添加可读事件if (ngx_handle_read_event(r->connection->read, 0) != NGX_OK) {
   return NGX_HTTP_INTERNAL_SERVER_ERROR;
}r->read_event_handler = ngx_http_test_reading;r->write_event_handler = ngx_http_limit_req_delay; //可写事件处理函数ngx_add_timer(r->connection->write, delay);    //可写事件添加定时器(超时之前是不能往客户端返回的)

计算delay的方法很简单,就是遍历所有的限流策略,计算处理完所有待处理请求需要的时间,返回最大值;

if (limits[n].nodelay) { //配置了nodelay时,请求不会被延时处理,delay为0
    continue;
} 
delay = excess * 1000 / ctx->rate; 
if (delay > max_delay) {
    max_delay = delay;
    *ep = excess;
    *limit = &limits[n];
}

简单看看可写事件处理函数ngx_http_limit_req_delay的实现

static void ngx_http_limit_req_delay(ngx_http_request_t *r)
{    
    wev = r->connection->write; 
    if (!wev->timedout) {  //没有超时不会处理
 
        if (ngx_handle_write_event(wev, 0) != NGX_OK) {
            ngx_http_finalize_request(r, NGX_HTTP_INTERNAL_SERVER_ERROR);
        }
 
        return;
    } 
    wev->timedout = 0; 
    r->read_event_handler = ngx_http_block_reading;    r->write_event_handler = ngx_http_core_run_phases;
 
    ngx_http_core_run_phases(r);  //超时了,继续处理HTTP请求}

4.实战

4.1测试普通限流

  • 1)配置nginx限流速率为1qps,针对客户端IP地址限流(返回状态码默认为503),如下:

http{
    limit_req_zone $binary_remote_addr zone=test:10m rate=1r/s; 
    server {
        listen       80;
        server_name  localhost;
        location / {
            limit_req zone=test;
            root   html;            index  index.html index.htm;
        }
}
  • 2)连续并发发起若干请求;

  • 3)查看服务端access日志,可以看到22秒连续到达3个请求,只处理1个请求;23秒到达两个请求,第一个请求处理,第二个请求被拒绝

xx.xx.xx.xxx - - [22/Sep/2018:23:33:22 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 612 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [22/Sep/2018:23:33:22 +0800] "GET / HTTP/1.0" 503 537 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [22/Sep/2018:23:33:22 +0800] "GET / HTTP/1.0" 503 537 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [22/Sep/2018:23:33:23 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 612 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [22/Sep/2018:23:33:23 +0800] "GET / HTTP/1.0" 503 537 "-" "ApacheBench/2.3"

4.2测试burst

  • 1)限速1qps时,超过请求会被直接拒绝,为了应对突发流量,应该允许请求被排队处理;因此配置burst=5,即最多允许5个请求排队等待处理;

http{
    limit_req_zone $binary_remote_addr zone=test:10m rate=1r/s; 
    server {
        listen       80;
        server_name  localhost;
        location / {
            limit_req zone=test burst=5;
            root   html;            index  index.html index.htm;
        }
}
  • 2)使用ab并发发起10个请求,ab -n 10 -c 10 http://xxxxx

  • 3)查看服务端access日志;根据日志显示第一个请求被处理,2到5四个请求拒绝,6到10五个请求被处理;为什么会是这样的结果呢?

查看ngx_http_log_module,注册handler到NGX_HTTP_LOG_PHASE阶段(HTTP请求处理最后一个阶段);

因此实际情况应该是这样的:10个请求同时到达,第一个请求到达直接被处理,第2到6个请求到达,排队延迟处理(每秒处理一个);第7到10个请求被直接拒绝,因此先打印access日志;

第2到6个请求米诶秒处理一个,处理完成打印access日志,即49到53秒每秒处理一个;

xx.xx.xx.xxx - - [22/Sep/2018:23:41:48 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 612 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [22/Sep/2018:23:41:48 +0800] "GET / HTTP/1.0" 503 537 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [22/Sep/2018:23:41:48 +0800] "GET / HTTP/1.0" 503 537 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [22/Sep/2018:23:41:48 +0800] "GET / HTTP/1.0" 503 537 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [22/Sep/2018:23:41:48 +0800] "GET / HTTP/1.0" 503 537 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [22/Sep/2018:23:41:49 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 612 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [22/Sep/2018:23:41:50 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 612 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [22/Sep/2018:23:41:51 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 612 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [22/Sep/2018:23:41:52 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 612 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [22/Sep/2018:23:41:53 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 612 "-" "ApacheBench/2.3"
  • 4)ab统计的响应时间见下面,最小响应时间87ms,最大响应时间5128ms,平均响应时间为1609ms:

             min  mean[+/-sd] median   max
Connect:       41   44   1.7     44      46
Processing:    46 1566 1916.6   1093    5084
Waiting:       46 1565 1916.7   1092    5084
Total:         87 1609 1916.2   1135    5128

4.3测试nodelay

  • 1)4.2显示,配置burst后,虽然突发请求会被排队处理,但是响应时间过长,客户端可能早已超时;因此添加配置nodelay,使得nginx紧急处理等待请求,以减小响应时间:

http{
    limit_req_zone $binary_remote_addr zone=test:10m rate=1r/s; 
    server {
        listen       80;
        server_name  localhost;
        location / {
            limit_req zone=test burst=5 nodelay;
            root   html;            index  index.html index.htm;
        }
}
  • 2)使用ab并发发起10个请求,ab -n 10 -c 10 http://xxxx/

  • 3)查看服务端access日志;第一个请求直接处理,第2到6个五个请求排队处理(配置nodelay,nginx紧急处理),第7到10四个请求被拒绝

xx.xx.xx.xxx - - [23/Sep/2018:00:04:47 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 612 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [23/Sep/2018:00:04:47 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 612 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [23/Sep/2018:00:04:47 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 612 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [23/Sep/2018:00:04:47 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 612 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [23/Sep/2018:00:04:47 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 612 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [23/Sep/2018:00:04:47 +0800] "GET / HTTP/1.0" 200 612 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [23/Sep/2018:00:04:47 +0800] "GET / HTTP/1.0" 503 537 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [23/Sep/2018:00:04:47 +0800] "GET / HTTP/1.0" 503 537 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [23/Sep/2018:00:04:47 +0800] "GET / HTTP/1.0" 503 537 "-" "ApacheBench/2.3"xx.xx.xx.xxx - - [23/Sep/2018:00:04:47 +0800] "GET / HTTP/1.0" 503 537 "-" "ApacheBench/2.3"
  • 4)ab统计的响应时间见下面,最小响应时间85ms,最大响应时间92ms,平均响应时间为88ms:

              min  mean[+/-sd] median   max
Connect:       42   43   0.5     43      43
Processing:    43   46   2.4     47      49
Waiting:       42   45   2.5     46      49
Total:         85   88   2.8     90      92

总结

本文首先分析常用限流算法(漏桶算法与令牌桶算法),并简单介绍nginx处理HTTP请求的过程,nginx定时事件实现;然后详细分析ngx_http_limit_req_module模块的基本数据结构,及其限流过程;并以实例帮助读者体会nginx限流的配置及结果。至于另一个模块ngx_http_limit_conn_module是针对链接数的限流,比较容易理解,在此就不做详细介绍。


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