一文带你了解生产级负载均衡算法

toutiao

5年之前

一文带你了解生产级负载均衡算法

负载均衡介绍

负载均衡，英文名称为Load Balance，指由多台服务器以对称的方式组成一个服务器集合，每台服务器都具有等价的地位，都可以单独对外提供服务而无须其他服务器的辅助。

通过某种负载分担技术，将外部发送来的请求均匀分配到对称结构中的某一台服务器上，而接收到请求的服务器独立地回应客户的请求。

负载均衡能够平均分配客户请求到服务器阵列，借此提供快速获取重要数据，解决大量并发访问服务问题，这种集群技术可以用最少的投资获得接近于大型主机的性能。

负载均衡方式

负载均衡分为软件负载均衡和硬件负载均衡

建议没有相关软件使用经验的同学不要太纠结他们的不同之处，可继续往下看。

软件负载均衡

常见的负载均衡软件有Nginx、LVS、HAProxy。

关于这几个软件的特点比较不是本文重点，感兴趣同学可以参见博客：

（总结）Nginx/LVS/HAProxy负载均衡软件的优缺点详解：http://www.ha97.com/5646.html
三大主流软件负载均衡器对比(LVS 、 Nginx 、Haproxy)：http://www.21yunwei.com/archives/5824

硬件负载均衡

常见的负载均衡硬件有Array、F5。

负载均衡算法

常见的负载均衡算法有：随机算法、加权轮询、一致性hash、最小活跃数算法。

千万别以为这几个算法看上去都特别简单，但其实真正在生产上用到时会远比你想的复杂

算法前提条件

定义一个服务器列表，每个负载均衡的算法会从中挑出一个服务器作为算法的结果。

public class ServerIps {
private static final List<String> LIST = Arrays.asList(
“192.168.0.1”,
“192.168.0.2”,
“192.168.0.3”,
“192.168.0.4”,
“192.168.0.5”,
“192.168.0.6”,
“192.168.0.7”,
“192.168.0.8”,
“192.168.0.9”,
“192.168.0.10”
);
}

随机算法-RandomLoadBalance

先来个最简单的实现。

public class Random {
public static String getServer() {
// 生成一个随机数作为list的下标值
java.util.Random random = new java.util.Random();
int randomPos = random.nextInt(ServerIps.LIST.size());
return ServerIps.LIST.get(randomPos);
}
public static void main(String[] args) {
// 连续调用10次
for (int i=0; i<10; i++) {
System.out.println(getServer());
}
}
}

运行结果：
192.168.0.3
192.168.0.4
192.168.0.7
192.168.0.1
192.168.0.2
192.168.0.7
192.168.0.3
192.168.0.9
192.168.0.1
192.168.0.1

当调用次数比较少时，Random 产生的随机数可能会比较集中，此时多数请求会落到同一台服务器上，只有在经过多次请求后，才能使调用请求进行“均匀”分配。调用量少这一点并没有什么关系，负载均衡机制不正是为了应对请求量多的情况吗，所以随机算法也是用得比较多的一种算法。

但是，上面的随机算法适用于每天机器的性能差不多的时候，实际上，生产中可能某些机器的性能更高一点，它可以处理更多的请求，所以，我们可以对每台服务器设置一个权重。

在ServerIps类中增加服务器权重对应关系MAP，权重之和为50：

public static final Map<String, Integer> WEIGHT_LIST = new HashMap<String, Integer>();
static {
// 权重之和为50
WEIGHT_LIST.put(“192.168.0.1”, 1);
WEIGHT_LIST.put(“192.168.0.2”, 8);
WEIGHT_LIST.put(“192.168.0.3”, 3);
WEIGHT_LIST.put(“192.168.0.4”, 6);
WEIGHT_LIST.put(“192.168.0.5”, 5);
WEIGHT_LIST.put(“192.168.0.6”, 5);
WEIGHT_LIST.put(“192.168.0.7”, 4);
WEIGHT_LIST.put(“192.168.0.8”, 7);
WEIGHT_LIST.put(“192.168.0.9”, 2);
WEIGHT_LIST.put(“192.168.0.10”, 9);
}

那么现在的随机算法应该要改成权重随机算法，当调用量比较多的时候，服务器使用的分布应该近似对应权重的分布。

权重随机算法

简单的实现思路是，把每个服务器按它所对应的服务器进行复制，具体看代码更加容易理解

public class WeightRandom {
public static String getServer() {
// 生成一个随机数作为list的下标值
List<String> ips = new ArrayList<String>();
for (String ip : ServerIps.WEIGHT_LIST.keySet()) {
Integer weight = ServerIps.WEIGHT_LIST.get(ip);
// 按权重进行复制
for (int i=0; i<weight; i++) {
ips.add(ip);
}
}
java.util.Random random = new java.util.Random();
int randomPos = random.nextInt(ips.size());
return ips.get(randomPos);
}
public static void main(String[] args) {
// 连续调用10次
for (int i=0; i<10; i++) {
System.out.println(getServer());
}
}
}

运行结果：
192.168.0.8
192.168.0.2
192.168.0.7
192.168.0.10
192.168.0.8
192.168.0.8
192.168.0.4
192.168.0.7
192.168.0.6
192.168.0.8

这种实现方法在遇到权重之和特别大的时候就会比较消耗内存，因为需要对ip地址进行复制，权重之和越大那么上文中的ips就需要越多的内存，下面介绍另外一种实现思路。

假设我们有一组服务器 servers = [A, B, C]，他们对应的权重为 weights = [5, 3, 2]，权重总和为10。现在把这些权重值平铺在一维坐标值上，[0, 5) 区间属于服务器 A，[5, 8) 区间属于服务器 B，[8, 10) 区间属于服务器 C。接下来通过随机数生成器生成一个范围在 [0, 10) 之间的随机数，然后计算这个随机数会落到哪个区间上。比如数字3会落到服务器 A 对应的区间上，此时返回服务器 A 即可。权重越大的机器，在坐标轴上对应的区间范围就越大，因此随机数生成器生成的数字就会有更大的概率落到此区间内。只要随机数生成器产生的随机数分布性很好，在经过多次选择后，每个服务器被选中的次数比例接近其权重比例。比如，经过一万次选择后，服务器 A 被选中的次数大约为5000次，服务器 B 被选中的次数约为3000次，服务器 C 被选中的次数约为2000次。

假设现在随机数offset=7：

offset<5 is false，所以不在[0, 5)区间，将offset = offset – 5（offset=2）
offset<3 is true，所以处于[5, 8)区间，所以应该选用B服务器
实现如下：

public class WeightRandomV2 {
public static String getServer() {
int totalWeight = 0;
boolean sameWeight = true; // 如果所有权重都相等，那么随机一个ip就好了
Object[] weights = ServerIps.WEIGHT_LIST.values().toArray();
for (int i = 0; i < weights.length; i++) {
Integer weight = (Integer) weights[i];
totalWeight += weight;
if (sameWeight && i > 0 && !weight.equals(weights[i – 1])) {
sameWeight = false;
}
}
java.util.Random random = new java.util.Random();
int randomPos = random.nextInt(totalWeight);
if (!sameWeight) {
for (String ip : ServerIps.WEIGHT_LIST.keySet()) {
Integer value = ServerIps.WEIGHT_LIST.get(ip);
if (randomPos < value) {
return ip;
}
randomPos = randomPos – value;
}
}
return (String) ServerIps.WEIGHT_LIST.keySet().toArray()[new java.util.Random().nextInt(ServerIps.WEIGHT_LIST.size())];
}
public static void main(String[] args) {
// 连续调用10次
for (int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println(getServer());
}
}
}

这就是另外一种权重随机算法。

轮询算法-RoundRobinLoadBalance

简单的轮询算法很简单

public class RoundRobin {
// 当前循环的位置
private static Integer pos = 0;
public static String getServer() {
String ip = null;
// pos同步
synchronized (pos) {
if (pos >= ServerIps.LIST.size()) {
pos = 0;
}
ip = ServerIps.LIST.get(pos);
pos++;
}
return ip;
}
public static void main(String[] args) {
// 连续调用10次
for (int i = 0; i < 11; i++) {
System.out.println(getServer());
}
}
}

运行结果：
192.168.0.1
192.168.0.2
192.168.0.3
192.168.0.4
192.168.0.5
192.168.0.6
192.168.0.7
192.168.0.8
192.168.0.9
192.168.0.10
192.168.0.1

这种算法很简单，也很公平，每台服务轮流来进行服务，但是有的机器性能好，所以能者多劳，和随机算法一下，加上权重这个维度之后，其中一种实现方法就是复制法，这里就不演示了，这种复制算法的缺点和随机算法的是一样的，比较消耗内存，那么自然就有其他实现方法。我下面来介绍一种算法：

这种算法需要加入一个概念：调用编号，比如第1次调用为1，第2次调用为2，第100次调用为100，调用编号是递增的，所以我们可以根据这个调用编号推算出服务器。

假设我们有三台服务器 servers = [A, B, C]，对应的权重为 weights = [ 2, 5, 1], 总权重为8，我们可以理解为有8台“服务器”，这是8台“不具有并发功能”，其中有2台为A，5台为B，1台为C，一次调用过来的时候，需要按顺序访问，比如有10次调用，那么服务器调用顺序为AABBBBBCAA，调用编号会越来越大，而服务器是固定的，所以需要把调用编号“缩小”，这里对调用编号进行取余，除数为总权重和，比如：

1号调用，1%8=1；
2号调用，2%8=2；
3号调用，3%8=3；
8号调用，8%8=0；
9号调用，9%8=1；
100号调用，100%8=4；
我们发现调用编号可以被缩小为0-7之间的8个数字，问题是怎么根据这个8个数字找到对应的服务器呢？和我们随机算法类似，这里也可以把权重想象为一个坐标轴“0—–2—–7—–8”
1号调用，1%8=1，offset = 1, offset <= 2 is true，取A；
2号调用，2%8=2；offset = 2，offset <= 2 is true, 取A;
3号调用，3%8=3；offset = 3, offset <= 2 is false, offset = offset – 2, offset = 1, offset <= 5，取B
8号调用，8%8=0；offset = 0, 特殊情况，offset = 8，offset <= 2 is false, offset = offset – 2, offset = 6, offset <= 5 is false, offset = offset – 5, offset = 1, offset <= 1 is true, 取C;
9号调用，9%8=1；// …
100号调用，100%8=4； //…
实现：
模拟调用编号获取工具：

public class Sequence {
public static Integer num = 0;
public static Integer getAndIncrement() {
return ++num;
}
}

public class WeightRoundRobin {
private static Integer pos = 0;
public static String getServer() {
int totalWeight = 0;
boolean sameWeight = true; // 如果所有权重都相等，那么随机一个ip就好了
Object[] weights = ServerIps.WEIGHT_LIST.values().toArray();
for (int i = 0; i < weights.length; i++) {
Integer weight = (Integer) weights[i];
totalWeight += weight;
if (sameWeight && i > 0 && !weight.equals(weights[i – 1])) {
sameWeight = false;
}
}
Integer sequenceNum = Sequence.getAndIncrement();
Integer offset = sequenceNum % totalWeight;
offset = offset == 0 ? totalWeight : offset;
if (!sameWeight) {
for (String ip : ServerIps.WEIGHT_LIST.keySet()) {
Integer weight = ServerIps.WEIGHT_LIST.get(ip);
if (offset <= weight) {
return ip;
}
offset = offset – weight;
}
}
String ip = null;
synchronized (pos) {
if (pos >= ServerIps.LIST.size()) {
pos = 0;
}
ip = ServerIps.LIST.get(pos);
pos++;
}
return ip;
}
public static void main(String[] args) {
// 连续调用11次
for (int i = 0; i < 11; i++) {
System.out.println(getServer());
}
}
}

运行结果：
192.168.0.1
192.168.0.2
192.168.0.2
192.168.0.2
192.168.0.2
192.168.0.2
192.168.0.2
192.168.0.2
192.168.0.2
192.168.0.3
192.168.0.3

但是这种算法有一个缺点：一台服务器的权重特别大的时候，他需要连续的的处理请求，但是实际上我们想达到的效果是，对于100次请求，只要有100*8/50=16次就够了，这16次不一定要连续的访问，比如假设我们有三台服务器 servers = [A, B, C]，对应的权重为 weights = [5, 1, 1] , 总权重为7，那么上述这个算法的结果是：AAAAABC，那么如果能够是这么一个结果呢：AABACAA，把B和C平均插入到5个A中间，这样是比较均衡的了。

我们这里可以改成平滑加权轮询。

平滑加权轮询

思路：每个服务器对应两个权重，分别为 weight 和 currentWeight。其中 weight 是固定的，currentWeight 会动态调整，初始值为0。当有新的请求进来时，遍历服务器列表，让它的 currentWeight 加上自身权重。遍历完成后，找到最大的 currentWeight，并将其减去权重总和，然后返回相应的服务器即可。

哈希值如果需要ip1和ip2之间的，则应该选择ip2作为结果；
哈希值如果需要ip2和ip3之间的，则应该选择ip3作为结果；
哈希值如果需要ip3和ip4之间的，则应该选择ip4作为结果；
哈希值如果需要ip4和ip1之间的，则应该选择ip1作为结果；

上面这情况是比较均匀情况，如果出现ip4服务器不存在，那就是这样了：

其中ip2-1, ip3-1就是虚拟结点，并不能处理节点，而是等同于对应的ip2和ip3服务器。实际上，这只是处理这种不均衡性的一种思路，实际上就算哈希环本身是均衡的，你也可以增加更多的虚拟节点来使这个环更加平滑，比如：

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