四個Java必須知道的負載均衡算法分享

更新時間：2023年01月10日 10:05:19 作者：JAVA旭陽

我們在設(shè)計系統(tǒng)的時候，為了系統(tǒng)的高擴展性，會創(chuàng)建無狀態(tài)的系統(tǒng)。但是，要使系統(tǒng)具有更好的可擴展性，除了無狀態(tài)設(shè)計之外，還要考慮采用什么負載均衡算法，本文就帶領(lǐng)大家認識以下常見的4種負載均衡算法

前言

一般來說，我們在設(shè)計系統(tǒng)的時候，為了系統(tǒng)的高擴展性，會盡可能的創(chuàng)建無狀態(tài)的系統(tǒng)，這樣我們就可以采用集群的方式部署，最終很方便的根據(jù)需要動態(tài)增減服務(wù)器數(shù)量。但是，要使系統(tǒng)具有更好的可擴展性，除了無狀態(tài)設(shè)計之外，還要考慮采用什么負載均衡算法，本文就帶領(lǐng)大家認識以下常見的4種負載均衡算法。

什么是負載均衡

負載均衡是指多臺服務(wù)器以對稱的方式組成一個服務(wù)器集群。每臺服務(wù)器的地位相當（但不同的服務(wù)器可能性能不同），可以獨立提供服務(wù)，無需其他服務(wù)器的輔助。為了保證系統(tǒng)的可擴展性，需要有一種算法能夠?qū)⑾到y(tǒng)負載平均分配給集群中的每臺服務(wù)器。這種算法稱為負載均衡算法。負責(zé)執(zhí)行負載均衡算法并平均分配請求的服務(wù)器稱為負載均衡器。

隨機算法

隨機算法非常簡單，該算法的核心是通過隨機函數(shù)隨機獲取一個服務(wù)器進行訪問。假設(shè)我們現(xiàn)在有四臺服務(wù)器，192.168.1.1~ 192.168.1.4, 該算法用java實現(xiàn)大致如下：

public class RandomTest {

    private static final List<String> servers = Arrays.asList("192.168.1.1", "192.168.1.2", "192.168.1.3", "192.168.1.4");

    public static String getServer() {
        Random random = new Random();
        int index = random.nextInt(servers.size());
        return servers.get(index);
    }


    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            String server = getServer();
            System.out.println("select server: "+server);
        }
    }
}

當樣本較小時，算法可能分布不均勻，但根據(jù)概率論，樣本越大，負載會越均勻，而負載均衡算法本來就是為應(yīng)對高并發(fā)場景而設(shè)計的。該算法的另一個缺點是所有機器都有相同的訪問概率, 如果服務(wù)器性能不同，負載將不平衡。

輪詢算法

Round-Robin輪詢算法是另一種經(jīng)典的負載均衡算法。請求以循環(huán)的方式分發(fā)到集群中的所有服務(wù)器。同理，對于上述四臺服務(wù)器，假設(shè)客戶端向集群發(fā)送10個請求，則請求分布將如下圖所示：

在十個請求中，第一、第五和第九個請求將分配給192.168.1.1，第二、第六和第十個請求將分配給192.168.1.2，依此類推。我們可以看到round-robin算法可以在集群中均勻的分配請求。但是，該算法具有與隨機算法相同的缺點，如果服務(wù)器性能不同，負載將不平衡，因此需要加權(quán)輪詢算法。

加權(quán)輪詢算法

Weighted Round-Robin加權(quán)輪詢算法是在round-robin算法的基礎(chǔ)上根據(jù)服務(wù)器的性能分配權(quán)重。服務(wù)器能支持的請求越多，權(quán)重就越高，分配的請求也就越多。對于同樣的10個請求，使用加權(quán)輪詢算法的請求分布會如下圖所示：

可以看到192.168.1.4權(quán)重最大，分配的請求數(shù)最多?？匆幌率褂肑ava簡單實現(xiàn)的以下加權(quán)循環(huán)算法。

public class RoundRobinTest {

    public class Node{
        private String ip;

        private Integer weight;

        private Integer currentWeight;

        public Node(String ip,Integer weight) {
            this.ip = ip;
            this.weight = weight;
            this.currentWeight = weight;
        }

        public String getIp() {
            return ip;
        }

        public void setIp(String ip) {
            this.ip = ip;
        }

        public Integer getWeight() {
            return weight;
        }

        public void setWeight(Integer weight) {
            this.weight = weight;
        }

        public Integer getCurrentWeight() {
            return currentWeight;
        }

        public void setCurrentWeight(Integer currentWeight) {
            this.currentWeight = currentWeight;
        }
    }

    List<Node> servers = Arrays.asList(
            new Node("192.168.1.1",1),
            new Node("192.168.1.2",2),
            new Node("192.168.1.3",3),
            new Node("192.168.1.4",4));
    private Integer totalWeight;

    public RoundRobinTest() {
        this.totalWeight = servers.stream()
                .mapToInt(Node::getWeight)
                .reduce((a,b)->a+b).getAsInt();
    }


    public String getServer() {
        Node node = servers.stream().max(Comparator.comparingInt(Node::getCurrentWeight)).get();
        node.setCurrentWeight(node.getCurrentWeight()-totalWeight);
        servers.forEach(server->server.setCurrentWeight(server.getCurrentWeight()+server.getWeight()));
        return node.getIp();
    }


    public static void main(String[] args) {
        RoundRobinTest roundRobinTest = new RoundRobinTest();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            String server = roundRobinTest.getServer();
            System.out.println("select server: "+server);
        }
    }

該算法的核心是的動態(tài)計算currentWeight。每個服務(wù)器被選中后，currentWeight需要減去所有服務(wù)器的權(quán)重之和，這樣可以避免權(quán)重高的服務(wù)器一直被選中。權(quán)重高的服務(wù)器有更多的分配請求，請求可以平均分配給所有服務(wù)器。

哈希算法

哈希算法，顧名思義，就是利用哈希表根據(jù) 計算出請求的路由hashcode%N。這里hashcode代表哈希值，N代表服務(wù)器數(shù)量。該算法的優(yōu)點是實現(xiàn)起來非常簡單。具體實現(xiàn)如下：

rivate static final List<String> servers = Arrays.asList("192.168.1.1", "192.168.1.2", "192.168.1.3", "192.168.1.4");

    public static String getServer(String key) {
        int hash = key.hashCode();
        int index =  hash%servers.size();
        return servers.get(index);
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            String server = getServer(String.valueOf(i));
            System.out.println("select server: "+server);
        }
    }

哈希算法在很多緩存分布式存儲系統(tǒng)中很常見，比如Memorycached和Redis，但是一般不會用到上面的哈希算法，而是優(yōu)化后的一致性哈希算法。