Dubbo集群容错(四)负载均衡

 

Dubbo 提供了4种负载均衡实现,分别是
  • 基于权重随机算法的 RandomLoadBalance
  • 基于最少活跃调用数算法的 LeastActiveLoadBalance
  • 基于hash一致性的 ConsistentHashLoadBalance
  • 基于加权轮询算法的 RoundRobinLoadBalance
这几个负载均衡算法代码不是很长,但是想看懂也不是很容易,需要大家对这几个算法的原理有一定了解才行。如果不是很了解,也没不用太担心。我们会在分析每个算法的源码之前,对算法原理进行简单的讲解,帮助大家建立初步的印象。
 
所有负载均衡实现类均继承自 AbstractLoadBalance,该类实现了 LoadBalance 接口,并封装了一些公共的逻辑。所以在分析负载均衡实现之前,先来看一下 AbstractLoadBalance 的逻辑。首先来看一下负载均衡的入口方法 select,如下:
@Override
public <T> Invoker<T> select(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
    if (invokers == null || invokers.isEmpty())
        return null;
    // 如果 invokers 列表中仅有一个 Invoker,直接返回即可,无需进行负载均衡
    if (invokers.size() == 1)
        return invokers.get(0);
    
    // 调用 doSelect 方法进行负载均衡,该方法为抽象方法,由子类实现
    return doSelect(invokers, url, invocation);
}

protected abstract <T> Invoker<T> doSelect(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation);

protected int getWeight(Invoker<?> invoker, Invocation invocation) {
    // 从 url 中获取权重 weight 配置值
    int weight = invoker.getUrl().getMethodParameter(invocation.getMethodName(), Constants.WEIGHT_KEY, Constants.DEFAULT_WEIGHT);
    if (weight > 0) {
        // 获取服务提供者启动时间戳
        long timestamp = invoker.getUrl().getParameter(Constants.REMOTE_TIMESTAMP_KEY, 0L);
        if (timestamp > 0L) {
            // 计算服务提供者运行时长
            int uptime = (int) (System.currentTimeMillis() - timestamp);
            // 获取服务预热时间,默认为10分钟
            int warmup = invoker.getUrl().getParameter(Constants.WARMUP_KEY, Constants.DEFAULT_WARMUP);
            // 如果服务运行时间小于预热时间,则重新计算服务权重,即降权
            if (uptime > 0 && uptime < warmup) {
                // 重新计算服务权重
                weight = calculateWarmupWeight(uptime, warmup, weight);
            }
        }
    }
    return weight;
}

static int calculateWarmupWeight(int uptime, int warmup, int weight) {
    // 计算权重,下面代码逻辑上形似于 (uptime / warmup) * weight。
    // 随着服务运行时间 uptime 增大,权重计算值 ww 会慢慢接近配置值 weight
    int ww = (int) ((float) uptime / ((float) warmup / (float) weight));
    return ww < 1 ? 1 : (ww > weight ? weight : ww);
}

select 方法的逻辑比较简单,首先会检测 invokers 集合的合法性,然后再检测 invokers 集合元素数量。如果只包含一个 Invoker,直接返回该 Inovker 即可。如果包含多个 Invoker,此时需要通过负载均衡算法选择一个 Invoker。具体的负载均衡算法由子类实现,接下来章节会对这些子类一一进行详细分析。

权重计算的过程,该过程主要用于保证当服务运行时长小于服务预热时间时,对服务进行降权,避免让服务在启动之初就处于高负载状态。服务预热是一个优化手段,与此类似的还有 JVM 预热。主要目的是让服务启动后“低功率”运行一段时间,使其效率慢慢提升至最佳状态。
 
一、RandomLoadBalance
RandomLoadBalance 是加权随机算法的具体实现,它的算法思想很简单。
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。
public class RandomLoadBalance extends AbstractLoadBalance {

    public static final String NAME = "random";

    private final Random random = new Random();

    @Override
    protected <T> Invoker<T> doSelect(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
        int length = invokers.size();
        int totalWeight = 0;
        boolean sameWeight = true;
        // 下面这个循环有两个作用,第一是计算总权重 totalWeight,
        // 第二是检测每个服务提供者的权重是否相同
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            int weight = getWeight(invokers.get(i), invocation);
            // 累加权重
            totalWeight += weight;
            // 检测当前服务提供者的权重与上一个服务提供者的权重是否相同,
            // 不相同的话,则将 sameWeight 置为 false。
            if (sameWeight && i > 0
                    && weight != getWeight(invokers.get(i - 1), invocation)) {
                sameWeight = false;
            }
        }
        
        // 下面的 if 分支主要用于获取随机数,并计算随机数落在哪个区间上
        if (totalWeight > 0 && !sameWeight) {
            // 随机获取一个 [0, totalWeight) 区间内的数字
            int offset = random.nextInt(totalWeight);
            // 循环让 offset 数减去服务提供者权重值,当 offset 小于0时,返回相应的 Invoker。
            // 举例说明一下,我们有 servers = [A, B, C],weights = [5, 3, 2],offset = 7。
            // 第一次循环,offset - 5 = 2 > 0,即 offset > 5,
            // 表明其不会落在服务器 A 对应的区间上。
            // 第二次循环,offset - 3 = -1 < 0,即 5 < offset < 8,
            // 表明其会落在服务器 B 对应的区间上
            for (int i = 0; i < length; i++) {
                // 让随机值 offset 减去权重值
                offset -= getWeight(invokers.get(i), invocation);
                if (offset < 0) {
                    // 返回相应的 Invoker
                    return invokers.get(i);
                }
            }
        }
        
        // 如果所有服务提供者权重值相同,此时直接随机返回一个即可
        return invokers.get(random.nextInt(length));
    }
}

RandomLoadBalance 的算法思想比较简单,在经过多次请求后,能够将调用请求按照权重值进行“均匀”分配。当然 RandomLoadBalance 也存在一定的缺点,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。这个缺点并不是很严重,多数情况下可以忽略。RandomLoadBalance 是一个简单,高效的负载均衡实现,因此 Dubbo 选择它作为缺省实现。

 
二、LeastActiveLoadBalance
LeastActiveLoadBalance 最小活跃数负载均衡。活跃调用数越小,表明该服务提供者效率越高,单位时间内可处理更多的请求。此时应优先将请求分配给该服务提供者。在具体实现中,每个服务提供者对应一个活跃数 active。初始情况下,所有服务提供者活跃数均为0。每收到一个请求,活跃数加1,完成请求后则将活跃数减1。在服务运行一段时间后,性能好的服务提供者处理请求的速度更快,因此活跃数下降的也越快,此时这样的服务提供者能够优先获取到新的服务请求、这就是最小活跃数负载均衡算法的基本思想。除了最小活跃数,LeastActiveLoadBalance 在实现上还引入了权重值。所以准确的来说,LeastActiveLoadBalance 是基于加权最小活跃数算法实现的。举个例子说明一下,在一个服务提供者集群中,有两个性能优异的服务提供者。某一时刻它们的活跃数相同,此时 Dubbo 会根据它们的权重去分配请求,权重越大,获取到新请求的概率就越大。如果两个服务提供者权重相同,此时随机选择一个即可
public class LeastActiveLoadBalance extends AbstractLoadBalance {

    public static final String NAME = "leastactive";

    private final Random random = new Random();

    @Override
    protected <T> Invoker<T> doSelect(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
        int length = invokers.size();
        // 最小的活跃数
        int leastActive = -1;
        // 具有相同“最小活跃数”的服务者提供者(以下用 Invoker 代称)数量
        int leastCount = 0; 
        // leastIndexs 用于记录具有相同“最小活跃数”的 Invoker 在 invokers 列表中的下标信息
        int[] leastIndexs = new int[length];
        int totalWeight = 0;
        // 第一个最小活跃数的 Invoker 权重值,用于与其他具有相同最小活跃数的 Invoker 的权重进行对比,
        // 以检测是否“所有具有相同最小活跃数的 Invoker 的权重”均相等
        int firstWeight = 0;
        boolean sameWeight = true;

        // 遍历 invokers 列表
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            Invoker<T> invoker = invokers.get(i);
            // 获取 Invoker 对应的活跃数
            int active = RpcStatus.getStatus(invoker.getUrl(), invocation.getMethodName()).getActive();
            // 获取权重 - ⭐️
            int weight = invoker.getUrl().getMethodParameter(invocation.getMethodName(), Constants.WEIGHT_KEY, Constants.DEFAULT_WEIGHT);
            // 发现更小的活跃数,重新开始
            if (leastActive == -1 || active < leastActive) {
                // 使用当前活跃数 active 更新最小活跃数 leastActive
                leastActive = active;
                // 更新 leastCount 为 1
                leastCount = 1;
                // 记录当前下标值到 leastIndexs 中
                leastIndexs[0] = i;
                totalWeight = weight;
                firstWeight = weight;
                sameWeight = true;

            // 当前 Invoker 的活跃数 active 与最小活跃数 leastActive 相同 
            } else if (active == leastActive) {
                // 在 leastIndexs 中记录下当前 Invoker 在 invokers 集合中的下标
                leastIndexs[leastCount++] = i;
                // 累加权重
                totalWeight += weight;
                // 检测当前 Invoker 的权重与 firstWeight 是否相等,
                // 不相等则将 sameWeight 置为 false
                if (sameWeight && i > 0
                    && weight != firstWeight) {
                    sameWeight = false;
                }
            }
        }
        
        // 当只有一个 Invoker 具有最小活跃数,此时直接返回该 Invoker 即可
        if (leastCount == 1) {
            return invokers.get(leastIndexs[0]);
        }

        // 有多个 Invoker 具有相同的最小活跃数,但它们之间的权重不同
        if (!sameWeight && totalWeight > 0) {
            // 随机生成一个 [0, totalWeight) 之间的数字
            int offsetWeight = random.nextInt(totalWeight);
            // 循环让随机数减去具有最小活跃数的 Invoker 的权重值,
            // 当 offset 小于等于0时,返回相应的 Invoker
            for (int i = 0; i < leastCount; i++) {
                int leastIndex = leastIndexs[i];
                // 获取权重值,并让随机数减去权重值 - ⭐️
                offsetWeight -= getWeight(invokers.get(leastIndex), invocation);
                if (offsetWeight <= 0)
                    return invokers.get(leastIndex);
            }
        }
        // 如果权重相同或权重为0时,随机返回一个 Invoker
        return invokers.get(leastIndexs[random.nextInt(leastCount)]);
    }
}

简单总结一下以上代码所做的事情,如下:

  1. 遍历 invokers 列表,寻找活跃数最小的 Invoker
  2. 如果有多个 Invoker 具有相同的最小活跃数,此时记录下这些 Invoker 在 invokers 集合中的下标,并累加它们的权重,比较它们的权重值是否相等
  3. 如果只有一个 Invoker 具有最小的活跃数,此时直接返回该 Invoker 即可
  4. 如果有多个 Invoker 具有最小活跃数,且它们的权重不相等,此时处理方式和 RandomLoadBalance 一致
  5. 如果有多个 Invoker 具有最小活跃数,但它们的权重相等,此时随机返回一个即可
 
三、ConsistentHashLoadBalance
一致性 hash 算法由麻省理工学院的 Karger 及其合作者于1997年提出的,算法提出之初是用于大规模缓存系统的负载均衡。它的工作过程是这样的,首先根据 ip 或者其他的信息为缓存节点生成一个 hash,并将这个 hash 投射到 [0, 232 - 1] 的圆环上。当有查询或写入请求时,则为缓存项的 key 生成一个 hash 值。然后查找第一个大于或等于该 hash 值的缓存节点,并到这个节点中查询或写入缓存项。如果当前节点挂了,则在下一次查询或写入缓存时,为缓存项查找另一个大于其 hash 值的缓存节点即可。大致效果如下图所示,每个缓存节点在圆环上占据一个位置。如果缓存项的 key 的 hash 值小于缓存节点 hash 值,则到该缓存节点中存储或读取缓存项。比如下面绿色点对应的缓存项将会被存储到 cache-2 节点中。由于 cache-3 挂了,原本应该存到该节点中的缓存项最终会存储到 cache-4 节点中。
 
 
 
四、RoundRobinLoadBalance
什么是加权轮询。这里从最简单的轮询开始讲起,所谓轮询是指将请求轮流分配给每台服务器。举个例子,我们有三台服务器 A、B、C。我们将第一个请求分配给服务器 A,第二个请求分配给服务器 B,第三个请求分配给服务器 C,第四个请求再次分配给服务器 A。这个过程就叫做轮询。轮询是一种无状态负载均衡算法,实现简单,适用于每台服务器性能相近的场景下。但现实情况下,我们并不能保证每台服务器性能均相近。如果我们将等量的请求分配给性能较差的服务器,这显然是不合理的。因此,这个时候我们需要对轮询过程进行加权,以调控每台服务器的负载。经过加权后,每台服务器能够得到的请求数比例,接近或等于他们的权重比。比如服务器 A、B、C 权重比为 5:2:1。那么在8次请求中,服务器 A 将收到其中的5次请求,服务器 B 会收到其中的2次请求,服务器 C 则收到其中的1次请求。
 
 
 
posted @ 2020-06-16 12:56  cao_xiaobo  阅读(54)  评论(0编辑  收藏