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基于多 goroutine 实现令牌桶

前言

令牌桶是一种常见用于控制速率的控流算法。原理于 Wikipedia 上描述如下：

每秒会有 r 个令牌被放入桶中，即每 1 / r 秒向桶中放入一个令牌。
一个桶最多可以存放 b 个令牌。当令牌被放入桶时，若桶已满，则令牌被直接丢弃。
当一个 n 字节的数据包抵达时，消耗 n 个令牌，然后放行之。
若桶中的令牌不足 n ，则该数据包要么被缓存要么被丢弃。

下面我们便根据上述描述，使用 Go 语言，基于多 goroutine ，来实现是一个并发安全的令牌桶。后述代码的完整实现的仓库地址在： https://github.com/DavidCai19... 。

基本设计

最基本的结构便是，定义一个令牌桶 struct ，该 struct 每一个新生成的令牌桶实例，各自带有一个 goroutine ，像守护进程一样以固定时间向实例桶中放入令牌：

type TokenBucket struct {
    interval          time.Duration  // 时间间隔
    ticker            *time.Ticker   // 定时器 timer
  // ...
    cap               int64          // 桶总容量
    avail             int64          // 桶内现有令牌数
}

func (tb *TokenBucket) adjustDaemon() {
    for now := range tb.ticker.C {
        var _ = now

        if tb.avail < tb.cap {
            tb.avail++
        }
    }
}

func New(interval time.Duration, cap int64) *TokenBucket {
    tb := &TokenBucket{
    // ...
    }

    go tb.adjustDaemon()

    return tb
}

该 struct 最终会提供以下 API ：

TryTake(count int64) bool ：尝试从桶中取出 n 个令牌。立刻返回，返回值表示该次取出是否成功。
Take(count int64) ：尝试从桶中取出 n 个令牌，若当前桶中的令牌数不足，则保持等待，直至桶内令牌数量达标然后取出。
TakeMaxDuration(count int64, max time.Duration) bool ：尝试从桶中取出 n 个令牌，若当前桶中的令牌数不足，则保持等待，直至桶内令牌数量达标然后取出。不过设置了一个超时时间 max ，若超时，则不再等待立刻返回，返回值表示该次取出是否成功。
Wait(count int64) ：保持等待直至桶内令牌数大于等于 n 。
WaitMaxDuration(count int64, max time.Duration) bool 保持等待直至桶内令牌数大于等于 n ，但设置了一个超时时间 max 。

`TryTake` ：一次性取出尝试

TryTake(count int64) bool 这样的一次性取出尝试，即可返回，实现起来最为简易。唯一需要注意的问题为当前我们在一个多 goroutine 环境下，令牌是我们的共享资源，为了防止竞争条件，最简单的解决方案即为存取都加上锁。Go 语言自带的 sync.Mutex 类提供了锁的实现。

type TokenBucket struct {
  // ...
    tokenMutex        *sync.Mutex // 令牌锁
}

func (tb *TokenBucket) tryTake(count int64) bool {
    tb.tokenMutex.Lock() // 检查共享资源，加锁
    defer tb.tokenMutex.Unlock()

    if count <= tb.avail {
        tb.avail -= count

        return true
    }

    return false
}

func (tb *TokenBucket) adjustDaemon() {
    for now := range tb.ticker.C {
        var _ = now

    tb.tokenMutex.Lock() // 检查共享资源，加锁

        if tb.avail < tb.cap {
            tb.avail++
        }

    tb.tokenMutex.Unlock()
    }
}

`Take` ， `TakeMaxDuration` 等待型取出（尝试）

对于 Take(count int64) 和 TakeMaxDuration(count int64, max time.Duration) bool 这样的等待型取出（尝试），情况别就有所不同了：

由于这两个操作都是需要进行等待被通知，故原本的主动加锁检查共享资源的方案已不再适合。
由于可能存在多个正在等待的操作，为了避免混乱，我们需要有个先来后到，最早等待的操作，首先获取令牌。

我们可以使用 Go 语言提供的第二种共享多 goroutine 间共享资源的方式：channel 来解决第一个问题。channel 可以是双向的，完全符合我们需要被动通知的场景。而面对第二个问题，我们需要为等待的操作维护一个队列。这里我们使用的是 list.List 来模拟 FIFO 队列，不过值得留意的是，这样一来，队列本身也成了一个共享资源，我们也需要为了它，来配一把锁。

跟着上述思路，我们先来实现 Take(count int64) ：

type TokenBucket struct {
  // ...
    waitingQuqueMutex: &sync.Mutex{}, // 等到操作的队列
    waitingQuque:      list.New(),    // 列队的锁
}

type waitingJob struct {
    ch        chan struct{}
    count     int64
}

func (tb *TokenBucket) Take(count int64) {
    w := &waitingJob{
        ch:    make(chan struct{}),
        count: count,
    }

    tb.addWaitingJob(w) // 将 w 放入列队，需为队列加锁。

    <-w.ch

    close(w.ch)
}

func (tb *TokenBucket) adjustDaemon() {
  var waitingJobNow *waitingJob

    for now := range tb.ticker.C {
        var _ = now

    tb.tokenMutex.Lock() // 检查共享资源，加锁

        if tb.avail < tb.cap {
            tb.avail++
        }

    element := tb.getFrontWaitingJob() // 取出队列头，需为队列加锁。

    if element != nil {
            if waitingJobNow == nil {
                waitingJobNow = element.Value.(*waitingJob)

                tb.removeWaitingJob(element) // 移除队列头，需为队列加锁。
            }

      if tb.avail >= waitingJobNow.need {
        tb.avail -= waitingJobNow.count
        waitingJobNow.ch <- struct{}{}

        waitingJobNow = nil
      }
        }

    tb.tokenMutex.Unlock()
    }
}

接着我们来实现 TakeMaxDuration(count int64, max time.Duration) bool ，该操作的超时部分，我们可以使用 Go 自带的 select 关键字结合定时器 channel 来实现。并且为 waitingJob 加上一个标识字段来表明该操作是否已超时被弃用。由于检查弃用的操作会在 adjustDaemon 中进行，而标识弃用的操作会在 TakeMaxDuration 内的 select 中，为了再次避免竞争状态，我们将使用的令牌的操作从 adjustDaemon 内通过 channel 返回给 select 中，并阻塞，来避免了竞争条件并且享受了令牌锁的保护：

func (tb *TokenBucket) TakeMaxDuration(count int64, max time.Duration) bool {
    w := &waitingJob{
        ch:        make(chan struct{}),
        count:     count,
        abandoned: false, // 超时弃置标识
    }

    defer close(w.ch)

    tb.addWaitingJob(w)

    select {
    case <-w.ch:
        tb.avail -= use
        w.ch <- struct{}{}
        return true
    case <-time.After(max):
        w.abandoned = true
        return false
    }
}

func (tb *TokenBucket) adjustDaemon() {
    // ...

    if element != nil {
            if waitingJobNow == nil || waitingJobNow.abandoned {
                waitingJobNow = element.Value.(*waitingJob)

                tb.removeWaitingJob(element)
            }

            if tb.avail >= waitingJobNow.need && !waitingJobNow.abandoned {
                waitingJobNow.ch <- struct{}{}
                <-waitingJobNow.ch

                waitingJobNow = nil
            }
        }

    // ...
}