.NET/JAVA/GO 固定时间窗口算法实现（无锁线程安全）

一.前言

最近有一个生成 APM TraceId 的需求，公司的APM系统的 TraceId 的格式为：APM AgentId+毫秒级时间戳+自增数字，根据此规则生成的 Id 可以保证全局唯一（有 NTP 时间同步），前两个字段好说，最后一个字段也不复杂，我的想法是按秒来进行自增。比如说1秒的时候，自增计数为100，在2秒的时候会重置为0，然后进行自增。其实这个思想就是固定时间窗口算法，这个算法一般常用在限流、Id生成器等场景。

二. .NET 代码实现

long _currentTime;
long _current;
public long FixedWindow()
{
    var now = DateTimeOffset.Now.ToUnixTimeSeconds();
    var ct = Interlocked.Read(ref _currentTime);
    if (now > ct)
    {
        if (Interlocked.CompareExchange(ref _currentTime, now, ct)==ct)
        {
            Interlocked.Exchange(ref _current, 0);
        }
    }
    
    return Interlocked.Increment(ref _current);
}

代码没多少，每调用一次就返回计数，采用的 C# CAS API Interlocked ，保证每个计数操作都是原子操作，从而达到无锁。

测试代码，使用10个线程并发调用，每个线程调用 1w次，最终期望计数应该是10w。

private static long _currentTime;
private static long _current;
private static Semaphore _semaphore = new Semaphore(0, 10);
static void Main(string[] args)
{
    _currentTime = DateTimeOffset.Now.ToUnixTimeSeconds();
    _current = 0;
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        Task.Factory.StartNew(() =>
        {
            for (int j = 0; j < 10000; j++)
            {
                FixedWindow();
            }

            _semaphore.Release(1);
        });
    }

    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        _semaphore.WaitOne();
    }
    
    Console.WriteLine(_current);
    Console.WriteLine("sleep 2s");
    Thread.Sleep(2000);
    Console.WriteLine(FixedWindow());
}

执行结果：

符合预期，10线程的计数在 1s 内能执行完毕，所以最终计数是10w，然后sleep 2s，重置计数，再次调用就返回了 1

三.JAVA代码实现

static AtomicLong currentTime = new AtomicLong();
static AtomicLong currentNumber = new AtomicLong();

public static long fixedWindow() {
    long now = currentTimeSeconds();
    long ct = currentTime.get();
    if (now > ct) {
        if (currentTime.compareAndSet(ct, now)) {
            currentNumber.set(0);
        }
    }

    return currentNumber.incrementAndGet();
}

public static long currentTimeSeconds(){
    return System.currentTimeMillis() / 1000;
}

测试代码：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    currentTime.set(currentTimeSeconds());
    currentNumber.set(0);

    long num = 0;
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        num = fixedWindow();
    }
    System.out.println(num);
    Thread.sleep(2000);
    System.out.println(fixedWindow());
}

执行结果：

符合预期，但是以上代码用在生产环境，需要自定替换 currentTimeSeconds 方法的实现，不能每次都调用 System.currentTimeMillis()，在多线程同时调用下，会有性能问题，可以自己实现一个定时器来返回当前时间

四.GO代码实现

var currentTime atomic.Int64
var currentNumber atomic.Int64

func fixedWindow() int64 {
	now := time.Now().Unix()
	ct := currentTime.Load()
	if now > ct {
		if currentTime.CAS(ct, now) {
			currentNumber.Store(0)
		}
	}

	return currentNumber.Inc()

}

测试代码：

func main() {
	wg := sync.WaitGroup{}
	for i := 0; i < 10; i++ {
		wg.Add(1)
		go func() {
			for j := 0; j < 10000; j++ {
				fixedWindow()
			}
			wg.Done()
		}()
	}
	wg.Wait()
	fmt.Println(currentNumber.Load())
	time.Sleep(2 * time.Second)
	fmt.Println(fixedWindow())
}

执行结果：

符合预期，10个协程的计数在 1s 内能执行完毕，所以最终计数是10w，然后sleep 2s，重置计数，再次调用就返回了 1

五.资料

本文 Demo 代码：github