一篇有趣的负载均衡算法实现

负载均衡（Load balancing）是一种在多个计算机（网络、CPU、磁盘）之间均匀分配资源，以提高资源利用的技术。使用负载均衡可以最大化服务吞吐量，可能最小化响应时间，同时由于使用负载均衡时，会使用多个服务器节点代单点服务，也提高了服务的可用性。

负载均衡的实现可以软件可以硬件，硬件如大名鼎鼎的 F5 负载均衡设备，软件如 NGINX 中的负载均衡实现，又如 Springcloud Ribbon 组件中的负载均衡实现。

如果看到这里你还不知道负载均衡是干嘛的，那么只能放一张图了，毕竟没图说个啥。

正经的负载均衡示例

负载均衡要做到在多次请求下，每台服务器被请求的次数大致相同。但是实际生产中，可能每台机器的性能不同，我们会希望性能好的机器承担的请求更多一些，这也是正常需求。

如果这样说下来你看不懂，那我就再举个例子好了，一排可爱的小熊（服务器）站好。

一排要被访问的服务器

这时有人（用户）要过来打脸（请求访问）。

用户请求

那么怎么样我们才能让这每一个可爱的小熊被打的次数大致相同呢？

又或者熊 4 比较胖，抗击打能力是别人的两倍，我们怎么提高熊 4 被打的次数也是别人的两倍呢？

又或者每次出手的力度不同，有重有轻，恰巧熊 4 总是承受这种大力度啪啪打脸，熊 4 即将不省熊事，还要继续打它吗？

这些都是值的思考的问题。

说了那么多，口干舌燥，我双手已经饥渴难耐了，迫不及待的想要撸起代码了。

1. 随机访问

上面说了，为了负载均衡，我们必须保证多次出手后，熊 1 到熊 4 被打次数均衡。比如使用随机访问法，根据数学上的概率论，随机出手次数越多，每只熊被打的次数就会越相近。代码实现也比较简单，使用一个随机数，随机访问一个就可以了。

/** 服务器列表 */
private static List<String> serverList = new ArrayList<>();
static {
    serverList.add("192.168.1.2");
    serverList.add("192.168.1.3");
    serverList.add("192.168.1.4");
    serverList.add("192.168.1.5");
}

/**
 * 随机路由算法
 */
public static String random() {
    // 复制遍历用的集合，防止操作中集合有变更
    List<String> tempList = new ArrayList<>(serverList.size());
    tempList.addAll(serverList);
    // 随机数随机访问
    int randomInt = new Random().nextInt(tempList.size());
    return tempList.get(randomInt);
}

因为使用了非线程安全的集合，所以在访问操作时操作的是集合的拷贝，下面几种轮询方式中也是这种思想。

写一个模拟请求方法，请求10w次，记录请求结果。

public static void main(String[] args) {
    HashMap<String, Integer> serverMap = new HashMap<>();
    for (int i = 0; i < 20000; i++) {
        String server = random();
        Integer count = serverMap.get(server);
        if (count == null) {
            count = 1;
        } else {
            count++;
        }
        // 记录
        serverMap.put(server, count);
    }
    // 路由总体结果
    for (Map.Entry<String, Integer> entry : serverMap.entrySet()) {
        System.out.println("IP:" + entry.getKey() + "，次数：" + entry.getValue());
    }
}

运行得到请求结果。

IP:192.168.1.3，次数：24979
IP:192.168.1.2，次数：24896
IP:192.168.1.5，次数：25043
IP:192.168.1.4，次数：25082

每台服务器被访问的次数都趋近于 2.5w，有点负载均衡的意思。但是随机毕竟是随机，是不能保证访问次数绝对均匀的。

2. 轮询访问

轮询访问就简单多了，拿上面的熊1到熊4来说，我们一个接一个的啪啪 - 打脸，熊1打完打熊2，熊2打完打熊3，熊4打完打熊1，最终也是实现了被打均衡。但是保证均匀总是要付出代价的，随机访问中需要随机，轮询访问中需要什么来保证轮询呢？

/** 服务器列表 */
private static List<String> serverList = new ArrayList<>();
static {
    serverList.add("192.168.1.2");
    serverList.add("192.168.1.3");
    serverList.add("192.168.1.4");
    serverList.add("192.168.1.5");
}
private static Integer index = 0;

/**
 * 随机路由算法
 */
public static String randomOneByOne() {
    // 复制遍历用的集合，防止操作中集合有变更
    List<String> tempList = new ArrayList<>(serverList.size());
    tempList.addAll(serverList);
    String server = "";
    synchronized (index) {
        index++;
        if (index == tempList.size()) {
            index = 0;
        }
        server = tempList.get(index);;
    }
    return server;
}

由代码里可以看出来，为了保证轮询，必须记录上次访问的位置，为了让在并发情况下不出现问题，还必须在使用位置记录时进行加锁，很明显这种互斥锁增加了性能开销。

依旧使用上面的测试代码测试10w次请求负载情况。

IP:192.168.1.3，次数：25000
IP:192.168.1.2，次数：25000
IP:192.168.1.5，次数：25000
IP:192.168.1.4，次数：25000

3. 轮询加权

上面演示了轮询方式，还记的一开始提出的熊4比较胖抗击打能力强，可以承受别人2倍的挨打次数嘛？上面两种方式都没有体现出来熊 4 的这个特点，熊 4 窃喜，不痛不痒。但是熊 1 到熊 3 已经在崩溃的边缘，不行，我们必须要让胖着多打，能者多劳，提高整体性能。

/** 服务器列表 */
private static HashMap<String, Integer> serverMap = new HashMap<>();
static {
    serverMap.put("192.168.1.2", 2);
    serverMap.put("192.168.1.3", 2);
    serverMap.put("192.168.1.4", 2);
    serverMap.put("192.168.1.5", 4);
}
private static Integer index = 0;

/**
 * 加权路由算法
 */
public static String oneByOneWithWeight() {
    List<String> tempList = new ArrayList();
    HashMap<String, Integer> tempMap = new HashMap<>();
    tempMap.putAll(serverMap);
    for (String key : serverMap.keySet()) {
        for (int i = 0; i < serverMap.get(key); i++) {
            tempList.add(key);
        }
    }
    synchronized (index) {
        index++;
        if (index == tempList.size()) {
            index = 0;
        }
        return tempList.get(index);
    }
}

这次记录下了每台服务器的整体性能，给出一个数值，数值越大，性能越好。可以承受的请求也就越多，可以看到服务器 192.168.1.5 的性能为 4，是其他服务器的两倍，依旧 10 w 请求测试。

IP:192.168.1.3，次数：20000
IP:192.168.1.2，次数：20000
IP:192.168.1.5，次数：40000
IP:192.168.1.4，次数：20000

192.168.1.5 承担了 2 倍的请求。

4. 随机加权

随机加权的方式和轮询加权的方式大致相同，只是把使用互斥锁轮询的方式换成了随机访问，按照概率论来说，访问量增多时，服务访问也会达到负载均衡。

/** 服务器列表 */
private static HashMap<String, Integer> serverMap = new HashMap<>();
static {
    serverMap.put("192.168.1.2", 2);
    serverMap.put("192.168.1.3", 2);
    serverMap.put("192.168.1.4", 2);
    serverMap.put("192.168.1.5", 4);
}
/**
 * 加权路由算法
 */
public static String randomWithWeight() {
    List<String> tempList = new ArrayList();
    HashMap<String, Integer> tempMap = new HashMap<>();
    tempMap.putAll(serverMap);
    for (String key : serverMap.keySet()) {
        for (int i = 0; i < serverMap.get(key); i++) {
            tempList.add(key);
        }
    }
    int randomInt = new Random().nextInt(tempList.size());
    return tempList.get(randomInt);
}

依旧 10 w 请求测试，192.168.1.5 的权重是其他服务器的近似两倍，

IP:192.168.1.3，次数：19934
IP:192.168.1.2，次数：20033
IP:192.168.1.5，次数：39900
IP:192.168.1.4，次数：20133

5. IP-Hash

上面的几种方式要么使用随机数，要么使用轮询，最终都达到了请求的负载均衡。但是也有一个很明显的缺点，就是同一个用户的多次请求很有可能不是同一个服务进行处理的，这时问题来了，如果你的服务依赖于 session ，那么因为服务不同， session 也会丢失，不是我们想要的，所以出现了一种根据请求端的 ip 进行哈希计算来决定请求到哪一台服务器的方式。这种方式可以保证同一个用户的请求落在同一个服务上。

private static List<String> serverList = new ArrayList<>();
static {
    serverList.add("192.168.1.2");
    serverList.add("192.168.1.3");
    serverList.add("192.168.1.4");
    serverList.add("192.168.1.5");
}

/**
 * ip hash 路由算法
 */
public static String ipHash(String ip) {
    // 复制遍历用的集合，防止操作中集合有变更
    List<String> tempList = new ArrayList<>(serverList.size());
    tempList.addAll(serverList);
    // 哈希计算请求的服务器
    int index = ip.hashCode() % serverList.size();
    return tempList.get(Math.abs(index));
}

6. 总结

上面的四种方式看似不错，那么这样操作下来真的体现了一开始说的负载均衡吗？答案是不一定的。就像上面的最后一个提问。