分布式负载均衡算法的实现

在分布式项目中，为了提高系统的可用性，服务提供者一般都会做集群处理，当其中一个服务出现宕机的时候，集群的其他服务仍然能够提供服务，从而提高系统的可靠性。

常用的负载均衡算法有：

随机算法
加权随机算法
轮询算法
加权轮询算法
最小时延算法
一致性hash算法

负载均衡追求的是每个服务提供者的负载一致，不会出现负载不均衡的情况。

以下所有的代码见github：算法实现　测试代码

准备

这是一个服务提供者的POJO,包含了服务的host和port等信息

@Slf4j
@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public class ProviderConfig implements Serializable{

    private static final long serialVersionUID = 1;
    //通信host
    private String host;
    //通信端口
    private Integer port;

    //请求接口名称
    private String interfaceName;
    //请求方法
    private String[] methods;
    //应用名称
    private String application;
    //权重
    private int weight;
    //调用时间
    private int callTime;

}

定义负载均衡策略接口

public interface LoadbalanceStrategy {
　　//object为扩展参数
    public ProviderConfig select(List<ProviderConfig> configs, Object object);
}

随机算法

随机算法，也就是从服务列表中随机选择一个，如果随机数产生算法不好，那么就会导致出现偏向性，导致有些服务命中概率高，有的服务命中概率低，甚至有的服务命中率为0。最后会导致命中率高的时延很严重。

随机算法的优点是其实现简单。

实现

也就是产生一个随机数，从服务List选择一个，很简单的算法。

public class RandomLoadbalanceStrategy  implements LoadbalanceStrategy{

    @Override
    public ProviderConfig select(List<ProviderConfig> configs, Object object) {
        int index = new Random().nextInt(configs.size());
        return configs.get(index);
    }
}

测试

注：后面多处会使用这个方法进行测试

//strategy 　　负载均衡策略：随机，加权随机，轮询，加权轮询
//configNum　　生产者个数
//testCount　　测试次数

public void loadbalace(LoadbalanceStrategy strategy ,int configNum,int testCount ){

    List<ProviderConfig> configs = new ArrayList<>();
    int[] counts = new int[configNum];


    for(int i = 0; i< configNum; i++){
        ProviderConfig config = new ProviderConfig();
        config.setInterfaceName("com.serviceImpl");
        config.setHost("127.0.0.1");
        config.setPort(i);
        config.setWeight(new Random().nextInt(100));
        configs.add(config);
    }

    //System.out.println(configs);

    for(int i = 0; i< testCount ; i++){
        ProviderConfig config = strategy.select(configs,null);
       // System.out.println("选中的:"+config);
        Integer count = counts[config.getPort()];
        counts[config.getPort()] = ++count;

    }

    for(int i = 0; i< configNum; i++){
        System.out.println("序号:" + i + " 权重：" + configs.get(i).getWeight() + "--次数：" + counts[i]);
    }

}

执行测试

LoadbalanceStrategy strategy1 = new RandomLoadbalanceStrategy();
loadbalace(strategy1,10,1000);

输出

随机负载均衡....
序号:0--次数：98
序号:1--次数：97
序号:2--次数：86
序号:3--次数：99
序号:4--次数：116
序号:5--次数：98
序号:6--次数：96
序号:7--次数：102
序号:8--次数：101
序号:9--次数：107

从测试结果来看，Jdk的随机算法还是比较均匀的。

加权随机算法

加权随机就是在随机算法的基础上，给每个服务增加一个权重，权重越大，概率越大。

在应用进行分布式部署时，机器硬件性能和环境的差异会导致服务性能出现不一致。

为了解决这个问题，可以给性能差的服务降低权重，给性能好的服务增加权重，以尽可能达到负载均衡的效果。

加权随机算法

实现


public class WeightRandomLoadbalanceStrategy implements LoadbalanceStrategy{

    @Override
    public ProviderConfig select(List<ProviderConfig> configs, Object object) {

        List<ProviderConfig> newConfigs = new ArrayList<>();

        for(ProviderConfig config:configs){

            for(int i = 0; i< config.getWeight(); i++){
                newConfigs.add(config);
            }
        }

        int index = new Random().nextInt(newConfigs.size()-1);
        return newConfigs.get(index);
    }
}

还是使用上面的测试代码loadbalace(LoadbalanceStrategy strategy ,int configNum,int testCount )进行测试。

System.out.println("加权随机负载均衡....");
LoadbalanceStrategy strategy2 = new WeightRandomLoadbalanceStrategy();
loadbalace(strategy1,10,1000);

测试结果：

加权随机负载均衡....
序号:0 权重：44--次数：101
序号:1 权重：27--次数：63
序号:2 权重：22--次数：47
序号:3 权重：61--次数：134
序号:4 权重：97--次数：214
序号:5 权重：38--次数：72
序号:6 权重：42--次数：79
序号:7 权重：51--次数：113
序号:8 权重：16--次数：28
序号:9 权重：67--次数：149

可以看到，权重越大，命中概率页越大。

轮询算法

轮询算法就是，轮询所有的服务，每个服务命中的概率都是一样的，缺点还是和随机算法一样，还是无法解决机器性能差异的问题。

实现

public class PollingLoadbalanceStrategy implements LoadbalanceStrategy {

    //使用一个Ｍap来缓存每类应用的轮询索引
    private Map<String,Integer> indexMap = new ConcurrentHashMap<>();

    public ProviderConfig select(List<ProviderConfig> configs, Object object){

        Integer index = indexMap.get(getKey(configs.get(0)));
        if(index == null){
            indexMap.put(getKey(configs.get(0)),0);
            return configs.get(0);
        }
        else {
            index++;
            if(index >= configs.size()){
                index = 0;
            }
            indexMap.put(getKey(configs.get(0)),index);
            return configs.get(index);
        }
    }

    public String getKey(ProviderConfig config){

        return  config.getInterfaceName();
    }
}

测试

还是使用上面的方法

System.out.println("\r\n轮询负载均衡.....");
LoadbalanceStrategy strategy3 = new PollingLoadbalanceStrategy();
 loadbalace(strategy3,10,1000);

测试结果

轮询负载均衡.....
序号:0 权重：88--次数：100
序号:1 权重：82--次数：100
序号:2 权重：58--次数：100
序号:3 权重：68--次数：100
序号:4 权重：67--次数：100
序号:5 权重：57--次数：100
序号:6 权重：19--次数：100
序号:7 权重：43--次数：100
序号:8 权重：4--次数：100
序号:9 权重：35--次数：100

可以看到，测试1000次，每个应用命中的概率都是一样的。

加权轮询算法

原理和上面的加权随机算法一样

实现

public class WeightPollingLoadbalanceStrategy implements LoadbalanceStrategy {

    private Map<String,Integer> indexMap = new ConcurrentHashMap<>();

    public ProviderConfig select(List<ProviderConfig> configs, Object object){

        Integer index = indexMap.get(getKey(configs.get(0)));
        if(index == null){
            indexMap.put(getKey(configs.get(0)),0);
            return configs.get(0);
        }
        else {

            List<ProviderConfig> newConfigs = new ArrayList<>();

            for(ProviderConfig config:configs){

                for(int i = 0; i< config.getWeight(); i++){
                    newConfigs.add(config);
                }
            }
            index++;
            if(index >= newConfigs.size()){
                index = 0;
            }
            indexMap.put(getKey(configs.get(0)),index);
            return newConfigs.get(index);

        }
    }

    public String getKey(ProviderConfig config){

        return  config.getInterfaceName();
    }
}

测试

System.out.println("\r\n加权轮询负载均衡.....");
LoadbalanceStrategy strategy4 = new WeightPollingLoadbalanceStrategy();
loadbalace(strategy4,10,1000);

输出

加权轮询负载均衡.....
序号:0 权重：77--次数：182
序号:1 权重：75--次数：150
序号:2 权重：22--次数：44
序号:3 权重：43--次数：86
序号:4 权重：59--次数：118
序号:5 权重：10--次数：20
序号:6 权重：1--次数：2
序号:7 权重：25--次数：50
序号:8 权重：85--次数：170
序号:9 权重：89--次数：178

可以看到，权重越大，命中的概率越大。

最小时延算法

由于机器性能的差异以及网络传输等原因，会导致集群中不同的应用调用时长不一样。

如果能降低调用耗时长的应用的命中率，提高调用耗时短的命中率，达到动态调整，从而实现最终的负载均衡，那么便可以解决以上性能差异的问题。

缺点是实现起来比较复杂，因为要计算启动之后平均调用耗时。

实现

public class LeastActiveLoadbalanceStrategy implements  LoadbalanceStrategy{

    public ProviderConfig select(List<ProviderConfig> configs, Object object){

        ProviderConfig[] registryConfigs= new ProviderConfig[configs.size()];
        configs.toArray(registryConfigs);

        Arrays.sort(registryConfigs, new Comparator<ProviderConfig>() {
            @Override
            public int compare(ProviderConfig o1, ProviderConfig o2) {

                if(o1.getCallTime() < o2.getCallTime()){
                    return -1;
                }

                else  if(o1.getCallTime() == o2.getCallTime()){
                    return 0;
                }
                else {
                    return 1;
                }
            }
        });

        return registryConfigs[0];
    }
}

这里使用Arrays.sort()来实现耗时排序。

测试

public void leastActiveLoadbalance(LoadbalanceStrategy strategy ,int configNum){

        List<ProviderConfig> configs = new ArrayList<>();

        for(int i = 0; i< configNum; i++){
            ProviderConfig config = new ProviderConfig();
            config.setInterfaceName("com.serviceImpl");
            config.setHost("127.0.0.1");
            config.setPort(i);
            config.setWeight(i);
　　　　　　　//这里使用随机数来模拟调用耗时。
            config.setCallTime(new Random().nextInt(100));
            configs.add(config);
        }

        for(ProviderConfig c:configs){
            System.out.println("序号:" + c.getPort()  +"--时延:" + c.getCallTime() );
        }
        System.out.println("--------------");
        ProviderConfig config = strategy.select(configs,null);
        System.out.println("最终选择　序号:" + config.getPort()  +"--时延:" + config.getCallTime() );


 }

这里使用随机数来模拟调用耗时。

System.out.println("\r\n最小时延负载均衡.....");
LoadbalanceStrategy strategy5 = new LeastActiveLoadbalanceStrategy();
leastActiveLoadbalance(strategy5,10);

测试结果

最小时延负载均衡.....
序号:0--时延:83
序号:1--时延:3
序号:2--时延:60
序号:3--时延:52
序号:4--时延:73
序号:5--时延:74
序号:6--时延:37
序号:7--时延:59
序号:8--时延:83
序号:9--时延:2
--------------
最终选择　序号:9--时延:2

可以看到命中了耗时最小的应用。

一致性hash算法

先构造一个长度为2³²的整数环（这个环被称为一致性Hash环），根据节点名称的Hash值（其分布为[0, 2³²-1]）将服务器节点放置在这个Hash环上，

然后根据数据的Key值计算得到其Hash值（其分布也为[0, 2³²-1]），接着在Hash环上顺时针查找距离这个Key值的Hash值最近的服务器节点，完成Key到服务器的映射查找。

一致性hash算法还可以实现一个消费者一直命中一个服务提供者。

如下图，一共有四个服务提供者

provider-1: 127.0.0.1:8001

provider-2: 127.0.5.2:8145

provider-3: 127.0.1.2:8123

provider-4: 127.1.3.2:8256

通过hash计算后，四个节点分布在hash环的不同位置上

当有一个消费者(127.0.0.1:8011)通过hash计算后，定位到如图中所示位置，它会顺时针查找下一个节点，选择第一个查找到的节点。

这里存在几个关键问题：

１.　hash算法的影响

如果hash算法计算结果过于集中，如下图，节点分布再很小的范围内，如果消费者大部分命中范围之外，就会导致node1负载异常的大，出现负载不均衡的问题。

所以需要一个比较好的hash算法。

解决这个问题的办法是需要选择一个好的hashcode算法,hash算法比较

２. 增加或者删除节点时会导致负载不均衡

如下图：

正常情况下每个节点都是25%的命中概率

节点node2失效时，之前节点2的所有命中全部加到节点３,导致节点3的负载变大

当增加节点5时，之前节点３的命中全部给了节点５,也还是出现了负载不均衡。

解决这个问题的办法是增加虚拟节点

如下图，为每个节点都增加了虚拟节点，增加虚拟节点，可以使整个hash环分布的更加均匀，但有个问题是，节点越多，维护的性能越大，因此，需要增加多少个虚拟节点，需要根据实际需要进行测试。

实现

虚拟节点的格式为　127.0.0.1:8001&&node1

分别使用jdk 的hashcode算法和FNV1_32_HASH算法进行比较。　.


public class UniformityHashLoadbalanceStrategy  implements  LoadbalanceStrategy{

    private static final int VIRTUAL_NODES = 5;


    public ProviderConfig select(List<ProviderConfig> configs, Object object){

        SortedMap<Integer, ProviderConfig> sortedMap = new TreeMap();

        for(ProviderConfig config:configs){
            for(int j = 0; j < VIRTUAL_NODES; j++){
                sortedMap.put(caculHash(getKey(config.getHost(),config.getPort(),"&&node"+j)),config);
            }
        }

        System.out.println(sortedMap);
        Integer requestHashcCode = caculHash((String)object);


        SortedMap<Integer, ProviderConfig> subMap = sortedMap.subMap(requestHashcCode,Integer.MAX_VALUE);
        ProviderConfig result= null;
        if(subMap.size()  != 0){
            Integer index = subMap.firstKey();
            result =  subMap.get(index);
        }
        else{
            result = sortedMap.get(0);
        }

        ////　打印测试数据

        new PrintResult(sortedMap,requestHashcCode).print();

        /////

        return  result;


    }
    private String getKey(String host,int port,String node){
        return new StringBuilder().append(host).append(":").append(port).append(node).toString();
    }

    private int caculHash(String str){

       /* int hashCode =  str.hashCode();
        hashCode = (hashCode<0)?(-hashCode):hashCode;
        return hashCode;*/

        final int p = 16777619;
        int hash = (int)2166136261L;
        for (int i = 0; i < str.length(); i++)
            hash = (hash ^ str.charAt(i)) * p;
        hash += hash << 13;
        hash ^= hash >> 7;
        hash += hash << 3;
        hash ^= hash >> 17;
        hash += hash << 5;

        // 如果算出来的值为负数则取其绝对值
        if (hash < 0)
            hash = Math.abs(hash);
        return hash;

    }

}
//用于打印测试数据
@Data
class PrintResult{

    private  boolean flag =false;
    private SortedMap<Integer, ProviderConfig> sortedMap;
    private int requestHashcCode;

    public PrintResult(SortedMap<Integer, ProviderConfig> sortedMap, int requestHashcCode) {
        this.sortedMap = sortedMap;
        this.requestHashcCode = requestHashcCode;
    }

    public void print(){

        sortedMap.forEach((k,v)->{

            if( (false == flag) && ( k > requestHashcCode)){
                System.out.println("++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++");
            }
            System.out.println("hashcode: " + k + "  " + v.getHost()+":"+v.getPort());
            if( (false == flag) && ( k > requestHashcCode)){
                System.out.println("++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++");
                flag = true;
            }

        });

        System.out.println("------------------请求的hashcode:"+requestHashcCode);

    }
}

测试：

public void uniformityHashLoadbalanceStrategyTest(LoadbalanceStrategy strategy ,int configNum){

        List<ProviderConfig> configs = new ArrayList<>();
        for(int i = 0; i< configNum; i++){
            ProviderConfig config = new ProviderConfig();
            config.setInterfaceName("com.serviceImpl");
            config.setHost("127.0.0.1");
            config.setPort(new Random().nextInt(9999));
            config.setWeight(i);
            config.setCallTime(new Random().nextInt(100));
            configs.add(config);
        }

        ProviderConfig config = strategy.select(configs,"127.0.0.1:1234");
        System.out.println("选择结果:" + config.getHost() + ":" + config.getPort());
    }

 System.out.println("\r\n一致性hash负载均衡.....");
uniformityHashLoadbalanceStrategyTest(new UniformityHashLoadbalanceStrategy(),10);

１. jdk 的　hashcode 算法

hashcode: 441720772  127.0.0.1:1280
hashcode: 441720773  127.0.0.1:1280
hashcode: 441720774  127.0.0.1:1280
hashcode: 441720775  127.0.0.1:1280
hashcode: 441720776  127.0.0.1:1280
hashcode: 1307619854  127.0.0.1:3501
hashcode: 1307619855  127.0.0.1:3501
hashcode: 1307619856  127.0.0.1:3501
hashcode: 1307619857  127.0.0.1:3501
hashcode: 1307619858  127.0.0.1:3501
hashcode: 1363372970  127.0.0.1:779
hashcode: 1363372971  127.0.0.1:779
hashcode: 1363372972  127.0.0.1:779
hashcode: 1363372973  127.0.0.1:779
hashcode: 1363372974  127.0.0.1:779
hashcode: 1397780469  127.0.0.1:5928
hashcode: 1397780470  127.0.0.1:5928
hashcode: 1397780471  127.0.0.1:5928
hashcode: 1397780472  127.0.0.1:5928
hashcode: 1397780473  127.0.0.1:5928
hashcode: 1700521830  127.0.0.1:4065
hashcode: 1700521831  127.0.0.1:4065
hashcode: 1700521832  127.0.0.1:4065
hashcode: 1700521833  127.0.0.1:4065
hashcode: 1700521834  127.0.0.1:4065
hashcode: 1774961903  127.0.0.1:5931
hashcode: 1774961904  127.0.0.1:5931
hashcode: 1774961905  127.0.0.1:5931
hashcode: 1774961906  127.0.0.1:5931
hashcode: 1774961907  127.0.0.1:5931
hashcode: 1814135809  127.0.0.1:5050
hashcode: 1814135810  127.0.0.1:5050
hashcode: 1814135811  127.0.0.1:5050
hashcode: 1814135812  127.0.0.1:5050
hashcode: 1814135813  127.0.0.1:5050
hashcode: 1881959435  127.0.0.1:1991
hashcode: 1881959436  127.0.0.1:1991
hashcode: 1881959437  127.0.0.1:1991
hashcode: 1881959438  127.0.0.1:1991
hashcode: 1881959439  127.0.0.1:1991
hashcode: 1889283041  127.0.0.1:4071
hashcode: 1889283042  127.0.0.1:4071
hashcode: 1889283043  127.0.0.1:4071
hashcode: 1889283044  127.0.0.1:4071
hashcode: 1889283045  127.0.0.1:4071
hashcode: 2118931362  127.0.0.1:7152
hashcode: 2118931363  127.0.0.1:7152
hashcode: 2118931364  127.0.0.1:7152
hashcode: 2118931365  127.0.0.1:7152
hashcode: 2118931366  127.0.0.1:7152
------------------请求的hashcode:35943393
选择结果:127.0.0.1:1280

可以看到ＪＤＫ默认的hashcode方法的问题，各个虚拟节点都是比较集中，会出现很严重的负载不均衡问题。

２.使用　FNV1_32_HASH算法

hashcode: 87760808 127.0.0.1:1926
hashcode: 127858684 127.0.0.1:2285
hashcode: 137207685 127.0.0.1:4429
hashcode: 189558739 127.0.0.1:4429
hashcode: 345597173 127.0.0.1:1926
hashcode: 411873143 127.0.0.1:5844
hashcode: 427733007 127.0.0.1:4429
hashcode: 429935214 127.0.0.1:5844
hashcode: 471059330 127.0.0.1:6013
hashcode: 508134701 127.0.0.1:6141
hashcode: 537200659 127.0.0.1:4429
hashcode: 572740331 127.0.0.1:9615
hashcode: 584730561 127.0.0.1:4429
hashcode: 586630909 127.0.0.1:6013
hashcode: 588198036 127.0.0.1:6297
hashcode: 601750027 127.0.0.1:6013
hashcode: 670864146 127.0.0.1:6297
hashcode: 823792818 127.0.0.1:9615
hashcode: 832758991 127.0.0.1:2285
hashcode: 847195135 127.0.0.1:1926
hashcode: 852642706 127.0.0.1:92
hashcode: 855431312 127.0.0.1:1926
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
hashcode: 1008339891 127.0.0.1:6430
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
hashcode: 1126143483 127.0.0.1:9615
hashcode: 1127241369 127.0.0.1:9615
hashcode: 1169946536 127.0.0.1:6297
hashcode: 1184995718 127.0.0.1:92
hashcode: 1204728048 127.0.0.1:5844
hashcode: 1218277576 127.0.0.1:2285
hashcode: 1253667665 127.0.0.1:92
hashcode: 1294893013 127.0.0.1:9615
hashcode: 1334096245 127.0.0.1:2285
hashcode: 1591823392 127.0.0.1:92
hashcode: 1597482385 127.0.0.1:6141
hashcode: 1647613853 127.0.0.1:6430
hashcode: 1653621871 127.0.0.1:6013
hashcode: 1749432497 127.0.0.1:6297
hashcode: 1765516223 127.0.0.1:92
hashcode: 1860173617 127.0.0.1:6430
hashcode: 1883591368 127.0.0.1:2285
hashcode: 1941022162 127.0.0.1:6430
hashcode: 1952262824 127.0.0.1:6141
hashcode: 1991871891 127.0.0.1:1926
hashcode: 2009814649 127.0.0.1:5844
hashcode: 2011432907 127.0.0.1:6297
hashcode: 2020508878 127.0.0.1:6141
hashcode: 2083262842 127.0.0.1:6013
hashcode: 2086348077 127.0.0.1:6141
hashcode: 2107422149 127.0.0.1:6430
hashcode: 2117355968 127.0.0.1:5844
------------------请求的hashcode:986344464
选择结果:127.0.0.1:6430

可以看到，各个虚拟节点分布相对较散，能够达到较好的效果。

总结

以上给了各个负载均衡算法的实现思路和代码实现，测试结果。

现总结如下：

随机算法：

好的随机算法可以使选择比较均衡，但还是会出现机器性能差异导致的调用耗时不一样。优点是实现简单。

加权随机算法：

可以根据不同的机器性能调整不同的权重比，从而降低机器性能差异带来的问题。

轮询算法：

可以使每个节点的选中概率一致，但也会出现随机算法的问题。

加权轮询：

可以根据不同的机器性能调整不同的权重比，从而降低机器性能差异带来的问题。

最小时延算法：

根据服务调用耗时动态调整，可以达到比较好的负载均衡。缺点是实现比较复杂。

一致性hash算法：

可以使消费者始终对应一个服务提供者。缺点是实现相对复杂。同时通过优化hashcode算法和增加虚拟节点解决分布不均的问题。

后话

以上的实现仅提供一种思路，实际使用时应该根据实际情况进行性能测试和优化。

posted @ 2019-04-18 02:34 冬眠的山谷阅读(3233) 评论(0) 编辑收藏举报

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分布式负载均衡算法的实现

准备

随机算法

实现

测试

加权随机算法

实现

轮询算法

实现

测试

加权轮询算法

实现

测试

最小时延算法

实现

测试

一致性hash算法

实现

测试：

总结

后话

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