本文详细介绍了nginx限流模块ngx_http_limit_req_module的工作原理，包括计数器、漏桶和令牌桶三种限流算法。文章讨论了nginx的基础知识，如HTTP请求处理和事件处理，并解析了ngx_http_limit_req_module的配置指令和源码，特别是限流算法的实现。此外，通过实战测试展示了普通限流、burst和nodelay的配置效果。
目录
3. ngx_http_limit_req_module模块解析
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。
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；
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；
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；
3. 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；且使用的是漏桶算法；
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
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