C++如何实现线程安全的频率限制器-创新互联

小编这次要给大家分享的是C++如何实现线程安全的频率限制器，文章内容丰富，感兴趣的小伙伴可以来了解一下，希望大家阅读完这篇文章之后能够有所收获。

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很早以前，在学习使用 Python 的deque容器时，我写了一篇文章python3 deque 双向队列创建与使用方法分析。最近需要压测线上服务的性能，又不愿意总是在 QA 那边排队，于是需要自己写一个压测用的客户端。其中一个核心需求就是要实现 QPS 限制。

于是，终究逃不开要在 C++ 中实现一个线程安全的频率限制器。

设计思路

所谓频率限制，就是要在一个时间段（inteval）中，限制操作的次数（limit）。这又可以引出两种强弱不同的表述：

强表述：在任意一个长度等于设定的时间段（interval）的滑动窗口中，频率限制器放行的操作次数（count）都不高于限制次数（limit）。
弱表述：在一组长度等于设定的时间段（interval）且紧密相连的固定窗口中，每一个窗口里频率限制器放行的操作次数（count）都不高于限制次数（limit）。

不难发现，强表述通过「滑动窗口」的方式，不仅限制了频率，还要求了操作在时间上的均匀性。前作的频率限制器，实际上对应了这里的强表述。但实际工程中，我们通常只需要实现弱表述的频率限制器就足够使用了。

对于弱表述，实现起来主要思路如下：

当操作计数（count）小于限制（limit）时直接放行；

单线程实现

在不考虑线程安全时，不难给出这样的实现。

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;
 }
}

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