C++如何實(shí)現(xiàn)線程安全的頻率限制器

小編這次要給大家分享的是C++如何實(shí)現(xiàn)線程安全的頻率限制器，文章內(nèi)容豐富，感興趣的小伙伴可以來(lái)了解一下，希望大家閱讀完這篇文章之后能夠有所收獲。

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很早以前，在學(xué)習(xí)使用 Python 的deque容器時(shí)，我寫(xiě)了一篇文章python3 deque 雙向隊(duì)列創(chuàng)建與使用方法分析。最近需要壓測(cè)線上服務(wù)的性能，又不愿意總是在 QA 那邊排隊(duì)，于是需要自己寫(xiě)一個(gè)壓測(cè)用的客戶端。其中一個(gè)核心需求就是要實(shí)現(xiàn) QPS 限制。

于是，終究逃不開(kāi)要在 C++ 中實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程安全的頻率限制器。

設(shè)計(jì)思路

所謂頻率限制，就是要在一個(gè)時(shí)間段（inteval）中，限制操作的次數(shù)（limit）。這又可以引出兩種強(qiáng)弱不同的表述：

強(qiáng)表述：在任意一個(gè)長(zhǎng)度等于設(shè)定的時(shí)間段（interval）的滑動(dòng)窗口中，頻率限制器放行的操作次數(shù)（count）都不高于限制次數(shù)（limit）。
弱表述：在一組長(zhǎng)度等于設(shè)定的時(shí)間段（interval）且緊密相連的固定窗口中，每一個(gè)窗口里頻率限制器放行的操作次數(shù)（count）都不高于限制次數(shù)（limit）。

不難發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)表述通過(guò)「滑動(dòng)窗口」的方式，不僅限制了頻率，還要求了操作在時(shí)間上的均勻性。前作的頻率限制器，實(shí)際上對(duì)應(yīng)了這里的強(qiáng)表述。但實(shí)際工程中，我們通常只需要實(shí)現(xiàn)弱表述的頻率限制器就足夠使用了。

對(duì)于弱表述，實(shí)現(xiàn)起來(lái)主要思路如下：

當(dāng)操作計(jì)數(shù)（count）小于限制（limit）時(shí)直接放行；

單線程實(shí)現(xiàn)

在不考慮線程安全時(shí)，不難給出這樣的實(shí)現(xiàn)。

struct ms_clock {
 using rep = std::chrono::milliseconds::rep;
 using period = std::chrono::milliseconds::period;
 using duration = std::chrono::duration<rep, period>;
 using time_point = std::chrono::time_point<ms_clock, duration>;

 static
 time_point now() noexcept {
 return time_point(std::chrono::duration_cast<duration>(
   std::chrono::steady_clock::now().time_since_epoch()));
 }
};
} // namespace __details

class RateLimiter {
 public:
 using clock = __details::ms_clock; // 1.

 private:
 const uint64_t limit_;
 const clock::duration interval_;
 const clock::rep interval_count_;

 mutable uint64_t count_{std::numeric_limits<uint64_t>::max()}; // 2.a.
 mutable clock::rep timestamp_{0};     // 2.b.

 public:
 constexpr RateLimiter(uint64_t limit, clock::duration interval) :
 limit_(limit), interval_(interval), interval_count_(interval_.count()) {}

 RateLimiter(const RateLimiter&) = delete;  // 3.a.
 RateLimiter& operator=(const RateLimiter&) = delete; // 3.b.
 RateLimiter(RateLimiter&&) = delete;   // 3.c.
 RateLimiter& operator=(RateLimiter&&) = delete; // 3.d.

 bool operator()() const;
 double qps() const {
 return 1000.0 * this->limit_ / this->interval_count_;
 }
};

bool RateLimiter::operator()() const {
 auto orig_count = this->count_++;
 if (orig_count < this->limit_) { // 4.
 return true;
 } else {
 auto ts = this->timestamp_;
 auto now = clock::now().time_since_epoch().count();
 if (now - ts < this->interval_count_) { // 5.
 return false;
 }
 this->timestamp_ = now;
 this->count_ = 1;
 return true;
 }
}

這里，

(1) 表明頻率限制器使用單位為毫秒的時(shí)鐘。在實(shí)際使用時(shí)，也可以按需改成微妙甚至納秒。

(2) 使用mutable修飾內(nèi)部狀態(tài)count_和timestamp_。這是因?yàn)閮蓚€(gè)limit_和interval_相同的頻率限制器，在邏輯上是等價(jià)的，但他們的內(nèi)部狀態(tài)卻不一定相同。因此，為了讓const成員函數(shù)能夠修改內(nèi)部狀態(tài)（而不改變邏輯等價(jià)），我們要給內(nèi)部狀態(tài)數(shù)據(jù)成員加上mutable修飾。

(2.a) 處將count_設(shè)置為類(lèi)型可表示的最大值是為了讓

(4) 的判斷失敗，而對(duì)timestamp_進(jìn)行初始化。

(2.b) 處將timestamp_設(shè)置為0則是基于同樣的原因，讓 (5) 的判斷失敗。

(2.a) 和 (2.b) 處通過(guò)巧妙的初值設(shè)計(jì)，將初始化狀態(tài)與后續(xù)正常工作狀態(tài)的邏輯統(tǒng)一了起來(lái)，而無(wú)須丑陋的判斷。

(3) 禁止了對(duì)象的拷貝和移動(dòng)。這是因?yàn)橐粋€(gè)頻率限制器應(yīng)綁定一組操作，而不應(yīng)由兩組或更多組操作共享（對(duì)于拷貝的情形），或是中途失效（對(duì)于移動(dòng)的情形）。

如此一來(lái)，函數(shù)調(diào)用運(yùn)算符就忠實(shí)地實(shí)現(xiàn)了前述邏輯。

多線程改造

第一步改造

當(dāng)有多線程同時(shí)調(diào)用RateLimiter::operator()時(shí)，顯而易見(jiàn)，在count_和timestamp_上會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。我們有兩種辦法解決這個(gè)問(wèn)題：要不然加鎖，要不然把count_和timestamp_設(shè)為原子變量然后用原子操作解決問(wèn)題。于是，對(duì)函數(shù)調(diào)用運(yùn)算符，我們有如下第一步的改造。

class RateLimiter {
 // 其余保持不變
 private:
 mutable std::atomic<uint64_t> count_{std::numeric_limits<uint64_t>::max()}; // 1.a.
 mutable std::atomic<clock::rep> timestamp_{0};     // 1.b.
 // 其余保持不變
};

bool RateLimiter::operator()() const {
 auto orig_count = this->count_.fetch_add(1UL); // 2.
 if (orig_count < this->limit_) {
 return true;
 } else {
 auto ts = this->timestamp_.load(); // 3.
 auto now = clock::now().time_since_epoch().count();
 if (now - ts < this->interval_count_) {
 return false;
 }
 this->timestamp_.store(now); // 4.
 this->count_.store(1UL); // 5.
 return true;
 }
}

這里，

(1) 將count_和timestamp_聲明為原子的，從而方便后續(xù)進(jìn)行原子操作。
(2) -- (5) 則將原有操作分別改為對(duì)應(yīng)的原子操作。

這樣看起來(lái)很完美，但其實(shí)是有 bug 的。我們重點(diǎn)關(guān)注 (4) 這里。(4) 的本意是更新timestamp_，以備下一次orig_count >= this->limit_時(shí)進(jìn)行判斷。準(zhǔn)確設(shè)置這一timestamp是頻率限制器正確工作的基石。但是，如果有兩個(gè)（或更多）線程，同時(shí)走到了 (4)會(huì)發(fā)生什么？

因?yàn)樵硬僮鞯拇嬖冢瑑蓚€(gè)線程會(huì)先后執(zhí)行 (4)。于是timestamp_的值究竟是什么，我們完全不可預(yù)期。
此外，兩個(gè)線程會(huì)先后執(zhí)行 (5)，即原子地將count_置為1。但是你想，頻率限制器先后放行了兩次操作，但為什么count_是1呢？這是不是就「偷跑」了一次操作？

為此，我們要保證只有一個(gè)線程會(huì)真正設(shè)置timestamp_，而拒絕其他同樣走到 (4) 位置的線程的操作，以避免其重復(fù)設(shè)置timestamp_以及錯(cuò)誤地將count_再次置為1。

第二步改進(jìn)

于是有以下改進(jìn)。

bool RateLimiter::operator()() const {
 auto orig_count = this->count_.fetch_add(1UL); // 3.
 if (orig_count < this->limit_) { // 4.
 return true;
 } else {
 auto ts = this->timestamp_.load();
 auto now = clock::now().time_since_epoch().count();
 if (now - ts < this->interval_count_) { // 5.
 return false;
 }
 if (not this->timestamp_.compare_and_exchange_strong(ts, now)) { // 1.
 return false;
 }
 this->count_.store(1UL); // 2.
 return true;
 }
}

這里，(1) 是一個(gè) CAS 原子操作。它會(huì)原子地比較timestamp_和ts的值（Compare）：若他們相等，則將now的值寫(xiě)入timestamp_（Swap），并返回true；若他們不相等，則將timestamp_的值寫(xiě)入ts，并返回false。如果沒(méi)有其他線程搶先修改timestamp_的值，那么 CAS 操作應(yīng)該成功并返回true，繼續(xù)執(zhí)行后面的代碼；否則，說(shuō)明其他線程已經(jīng)搶先修改了timestamp_，當(dāng)前線程的操作被記入上一個(gè)周期而被頻率限制器拒絕。

現(xiàn)在要考慮 (2)。如果執(zhí)行完 (1) 之后立即立刻馬上沒(méi)有任何延遲地執(zhí)行 (2)，那么當(dāng)然一切大吉。但如果這時(shí)候當(dāng)前線程被切出去，會(huì)發(fā)生什么？我們要分情況討論。

如果ts == 0，也就是「當(dāng)前線程」是頻率限制器第一次修改timestamp_。于是，當(dāng)前線程可能會(huì)在 (3) 處將count_（溢出地）自增為0，從而可能有其他線程通過(guò) (4)。此時(shí)，當(dāng)前線程在當(dāng)前分片有可能應(yīng)當(dāng)被拒絕操作。為此，我們需要在 (1) 和 (2) 之間做額外的判斷。

if (ts == 0) {
 auto orig_count = this->count.fetch_add(1UL);
 return (orig_count < this->limit_);
}

如果ts != 0，也就是「當(dāng)前線程」并非頻率限制器第一次修改timestamp_。那么其他線程在 (4) 處必然判斷失敗，但在 (5) 處的判斷可能成功，從而可能繼續(xù)成功執(zhí)行 (1)，從而接連兩次執(zhí)行 (2)。但這不影響正確性。因?yàn)橥ㄟ^(guò) (5) 表明相對(duì)當(dāng)前線程填入的timestamp_，已經(jīng)由過(guò)了一個(gè)時(shí)間段（interval），而在這個(gè)時(shí)間段里，只有當(dāng)前線程的一次操作會(huì)被接受。

第三次改進(jìn)

由此，我們得到：

bool RateLimiter::operator()() const {
 auto orig_count = this->count_.fetch_add(1UL);
 if (orig_count < this->limit_) {
 return true;
 } else {
 auto ts = this->timestamp_.load();
 auto now = clock::now().time_since_epoch().count();
 if (now - ts < this->interval_count_) {
 return false;
 }
 if (not this->timestamp_.compare_and_exchange_strong(ts, now)) {
 return false;
 }
 if (ts == 0) {
 auto orig_count = this->count.fetch_add(1UL);
 return (orig_count < this->limit_);
 }
 this->count_.store(1UL);
 return true;
 }
}

至此，我們的代碼在邏輯上已經(jīng)成立了，接下來(lái)要做一些性能方面的優(yōu)化。

原子操作默認(rèn)采用std::memory_order_seq_cst的內(nèi)存模型。這是 C++ 中最嚴(yán)格的內(nèi)存模型，它有兩個(gè)保證：

程序指令和源碼順序一致；
所有線程的所有操作都有一致的順序。

為了實(shí)現(xiàn)順序一致性（sequential consistency），編譯器會(huì)使用很多對(duì)抗編譯器優(yōu)化和 CPU 亂序執(zhí)行（Out-of-Order Execution）的手段，因而性能較差。對(duì)于此處的count_，我們無(wú)需順序一致性模型，只需要獲取釋放模型（Aquire-Release）模型就足夠了。

第四次改進(jìn)

于是有第四次改進(jìn)：

bool RateLimiter::operator()() const {
 auto orig_count = this->count_.fetch_add(1UL, std::memory_order_acq_rel);
 if (orig_count < this->limit_) {
 return true;
 } else {
 auto ts = this->timestamp_.load();
 auto now = clock::now().time_since_epoch().count();
 if (now - ts < this->interval_count_) {
 return false;
 }
 if (not this->timestamp_.compare_and_exchange_strong(ts, now)) {
 return false;
 }
 if (ts == 0) {
 auto orig_count = this->count.fetch_add(1UL, std::memory_order_acq_rel);
 return (orig_count < this->limit_);
 }
 this->count_.store(1UL, std::memory_order_release);
 return true;
 }
}

至此，我們就完整實(shí)現(xiàn)了一個(gè)頻率限制器，可以愉快地開(kāi)始拉 QPS 壓測(cè)了！

看完這篇關(guān)于C++如何實(shí)現(xiàn)線程安全的頻率限制器的文章，如果覺(jué)得文章內(nèi)容寫(xiě)得不錯(cuò)的話，可以把它分享出去給更多人看到。

當(dāng)前名稱：C++如何實(shí)現(xiàn)線程安全的頻率限制器
分享路徑：http://muchs.cn/article44/jpiphe.html

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