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Java负载均衡算法实现之轮询和加权轮询

1.普通轮询算法

轮询(Round Robin,RR)是依次将用户的访问请求,按循环顺序分配到web服务节点上,从1开始到最后一台服务器节点结束,然后再开始新一轮的循环。这种算法简单,但是没有考虑到每台节点服务器的具体性能,请求分发往往不均衡。

代码实现:

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/**

  * 普通轮询算法

  */ public class RoundRobin {

     private static Integer index = 0 ;

     private static List<String> nodes = new ArrayList<>();

     // 准备模拟数据

     static {

         nodes.add( "192.168.1.101" );

         nodes.add( "192.168.1.103" );

         nodes.add( "192.168.1.102" );

         System.out.println( "普通轮询算法的所有节点:" +nodes); //打印所有节点

     }

    

     // 关键代码

     public String selectNode(){

         String ip = null ;

         synchronized (index){

             // 下标复位

             if (index>=nodes.size()) index = 0 ;

             ip = nodes.get(index);

             index++;

         }

         return ip;

     }

 

     // 并发测试:两个线程循环获取节点

     public static void main(String[] args) {

         new Thread(() -> {

             RoundRobin roundRobin1 = new RoundRobin();

             for ( int i= 1 ;i<= 5 ;i++){

                 String serverIp = roundRobin1.selectNode();

                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "==第" +i+ "次获取节点:" +serverIp);

             }

         }).start();

 

         RoundRobin roundRobin2 = new RoundRobin();

         for ( int i= 1 ;i<=nodes.size();i++){

             String serverIp = roundRobin2.selectNode();

             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "==第" +i+ "次获取节点:" +serverIp);

         }

     }

}

执行结果:不同线程访问,结果依旧是按顺序循环分配节点

普通轮询算法的所有节点:[192.168.1.101, 192.168.1.103, 192.168.1.102]

main==第1次获取节点:192.168.1.101

Thread-0==第1次获取节点:192.168.1.103

Thread-0==第2次获取节点:192.168.1.102

Thread-0==第3次获取节点:192.168.1.101

Thread-0==第4次获取节点:192.168.1.103

Thread-0==第5次获取节点:192.168.1.102

main==第2次获取节点:192.168.1.101

main==第3次获取节点:192.168.1.103

2.加权轮询算法

加权轮询(Weighted Round Robin,WRR)是根据设定的权重值来分配访问请求,权重值越大的,被分到的请求数也就越多。一般根据每台节点服务器的具体性能来分配权重。

2.1.实现方式一

将需要轮询的所有节点 按权重数 循环生成一个List 集合,然后就跟普通轮询算法一样,来一个、分配一个、进1位。

例如:

所有节点信息:{{[192.168.1.100[,5},{[192.168.1.101[,1},{[192.168.1.102[,3}}

那么生成的List 集合为:

{[192.168.1.100[,

[192.168.1.100[,

[192.168.1.100[,

[192.168.1.100[,

[192.168.1.100[,

[192.168.1.101[,

[192.168.1.102[,

[192.168.1.102[,

[192.168.1.102[}

后面就是普通轮询算法的逻辑

代码实现:

类似于二维数组 降维成 一维数组,然后使用普通轮询

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/**

  *  简单版的加权轮询

  */ public class WeightedRoundRobinSimple {

     private static Integer index = 0 ;

     private static Map<String,Integer> mapNodes = new HashMap<>();

 

     // 准备模拟数据

     static {

         mapNodes.put( "192.168.1.101" , 1 );

         mapNodes.put( "192.168.1.102" , 3 );

         mapNodes.put( "192.168.1.103" , 2 );

         /* -- 以下代码只为了方便查看所有节点,删除不影响 -- S */

         List<String> nodes = new ArrayList<>();

         Iterator<Map.Entry<String, Integer>> iterator = mapNodes.entrySet().iterator();

         while (iterator.hasNext()){

             Map.Entry<String, Integer> entry = iterator.next();

             String key = entry.getKey();

             for ( int i= 0 ;i<entry.getValue();i++){

                 nodes.add(key);

             }

         }

         System.out.println( "简单版的加权轮询:" +nodes); //打印所有节点

         /* -- 以上代码只为了方便查看所有节点,删除不影响-- E */

     }

 

     // 关键代码:类似于二维数组 降维成 一维数组,然后使用普通轮询

     public String selectNode(){

         List<String> nodes = new ArrayList<>();

         Iterator<Map.Entry<String, Integer>> iterator = mapNodes.entrySet().iterator();

         while (iterator.hasNext()){

             Map.Entry<String, Integer> entry = iterator.next();

             String key = entry.getKey();

             for ( int i= 0 ;i<entry.getValue();i++){

                 nodes.add(key);

             }

         }

         String ip = null ;

         synchronized (index){

             // 下标复位

             if (index>=nodes.size()) index = 0 ;

             ip = nodes.get(index);

             index++;

         }

         return ip;

     }

 

     // 并发测试:两个线程循环获取节点

     public static void main(String[] args) {

         new Thread(() -> {

             WeightedRoundRobinSimple roundRobin1 = new WeightedRoundRobinSimple();

             for ( int i= 1 ;i<= 6 ;i++){

                 String serverIp = roundRobin1.selectNode();

                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "==第" +i+ "次获取节点:" +serverIp);

             }

         }).start();

 

         WeightedRoundRobinSimple roundRobin2 = new WeightedRoundRobinSimple();

         for ( int i= 1 ;i<= 6 ;i++){

             String serverIp = roundRobin2.selectNode();

             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "==第" +i+ "次获取节点:" +serverIp);

         }

     }

}

执行结果:两个线程循环测试,输出结果会出现交替分配到不同的IP,但最终的效果都是一个个按顺序分配,类似于普通轮询算法。

简单版的加权轮询:[192.168.1.103, 192.168.1.103, 192.168.1.101, 192.168.1.102, 192.168.1.102, 192.168.1.102]

main==第1次获取节点:192.168.1.103

main==第2次获取节点:192.168.1.103

main==第3次获取节点:192.168.1.101

main==第4次获取节点:192.168.1.102

main==第5次获取节点:192.168.1.102

Thread-0==第1次获取节点:192.168.1.102

Thread-0==第2次获取节点:192.168.1.103

main==第6次获取节点:192.168.1.103

Thread-0==第3次获取节点:192.168.1.101

Thread-0==第4次获取节点:192.168.1.102

Thread-0==第5次获取节点:192.168.1.102

Thread-0==第6次获取节点:192.168.1.102

2.2.实现方式二(重点难点)

本文的重点难点。

在实现方式一的算法中可以很明显的看到,同权重的IP会被连续分配,也就是说同一个IP在短时间内收到不同的请求,过了这个连续点,就要等到下一轮才会被分配到,并没有做到均匀分配节点。

实现方式二将 尽可能地均匀分配每个节点,节点分配不再是连续的 ,但最终的权重比和上一个方式一样,这种加权轮询又被称为平滑加权轮询。

理解关键的几个参数和算法逻辑,方便理解代码的实现。

2.2.1.概述

关键参数

ip:负载IP

weight:权重,保存配置的权重

effectiveWeight:有效权重,轮询的过程权重可能变化

currentWeight:当前权重,比对该值大小获取节点

注意几个点:

weight 权重,在整个过程不会对它做修改,只用来保存配置时的权重参数值。如果直接拿weight 运算而不保存配置的最原始权重参数,那么将会丢失最关键的用户配置的权重参数。

effectiveWeight 有效权重,在整个过程可能会变化,初始值等于weight,主要用于当节点出现分配失败时降低权重值,成功时提高权重值(但不能大于weight值),本案例为了简化算法,并未加入这功能,因此本案例中effectiveWeight始终等于weight。

currentWeight 当前权重,通过循环所有节点比对该值大小来分配权重最大的节点,初始值等于weight。

三个权重参数的变化情况

仅仅针对本案例,因为本案例为了简化算法,并未加入[节点出现分配失败时降低权重值,成功时提高权重值(但不能大于weight值)的功能],所以有效权重effectiveWeight 不会发生变化。

第一次加权轮询时:currentWeight = weight = effectiveWeight;

后面每次加权轮询时:currentWeight 的值都会不断变化,weight 和effectiveWeight 的值不变;

被分配的节点的currentWeight = currentWeight - 权重之和

所有节点的currentWeight = currentWeight + effectiveWeight

2.2.2.举个例子理解算法

你面前有三个瓶子A、B、C,分别装有1L、3L、2L水。

第一轮分配情况:B多,所以把B瓶子的3L水,分1L给A,分2L给C(按权重分),分完之后:A、B、C分别为:2L、0L、4L

第二轮分配情况:C多,所以把C瓶子的4L水,分1L给A,分3L给B(按权重分),分完之后:A、B、C分别为:3L、3L、0L

第三轮分配情况:A和B一样多,那么拿谁去分呢? 拿谁其实都一样 (算法中写了A 大于 B才选A,现在等于,所以不选A),所以把B瓶子的3L水,分1L给A,分2L给C(按权重分),分完之后:A、B、C分别为:4L、0L、2L

然后不断的进行下去……

简化成数学逻辑(代码实现)的关键两步

被分配的节点的currentWeight = currentWeight - 权重之和

所有节点的currentWeight = currentWeight + effectiveWeight

下面通过阅读代码来理解

2.2.3.代码实现

节点对象

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/**

  * String ip:负载IP

  * final Integer weight:权重,保存配置的权重

  * Integer effectiveWeight:有效权重,轮询的过程权重可能变化

  * Integer currentWeight:当前权重,比对该值大小获取节点

  *   第一次加权轮询时:currentWeight = weight = effectiveWeight

  *   后面每次加权轮询时:currentWeight 的值都会不断变化,其他权重不变

  */ public class Node implements Comparable<Node>{

     private String ip;

     private final Integer weight;

     private Integer effectiveWeight;

     private Integer currentWeight;

 

     public Node(String ip,Integer weight){

         this .ip = ip;

         this .weight = weight;

         this .effectiveWeight = weight;

         this .currentWeight = weight;

     }

 

     public Node(String ip, Integer weight, Integer effectiveWeight, Integer currentWeight) {

         this .ip = ip;

         this .weight = weight;

         this .effectiveWeight = effectiveWeight;

         this .currentWeight = currentWeight;

     }

 

     public String getIp() {

         return ip;

     }

 

     public void setIp(String ip) {

         this .ip = ip;

     }

 

     public Integer getWeight() {

         return weight;

     }

 

     public Integer getEffectiveWeight() {

         return effectiveWeight;

     }

 

     public void setEffectiveWeight(Integer effectiveWeight) {

         this .effectiveWeight = effectiveWeight;

     }

 

     public Integer getCurrentWeight() {

         return currentWeight;

     }

 

     public void setCurrentWeight(Integer currentWeight) {

         this .currentWeight = currentWeight;

     }

 

     @Override

     public int compareTo(Node node) {

         return currentWeight > node.currentWeight ? 1 : (currentWeight.equals(node.currentWeight) ? 0 : - 1 );

     }

 

     @Override

     public String toString() {

         return "{ip='" + ip + "', weight=" + weight + ", effectiveWeight=" + effectiveWeight + ", currentWeight=" + currentWeight + "}" ;

     }

}

加权轮询算法

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/**

  * 加权轮询算法

  */ public class WeightedRoundRobin {

 

     private static List<Node> nodes = new ArrayList<>();

     // 权重之和

     private static Integer totalWeight = 0 ;

     // 准备模拟数据

     static {

         nodes.add( new Node( "192.168.1.101" , 1 ));

         nodes.add( new Node( "192.168.1.102" , 3 ));

         nodes.add( new Node( "192.168.1.103" , 2 ));

         nodes.forEach(node -> totalWeight += node.getEffectiveWeight());

     }

 

     /**

      * 按照当前权重(currentWeight)最大值获取IP

      * @return Node

      */

     public Node selectNode(){

         if (nodes == null || nodes.size()<= 0 ) return null ;

         if (nodes.size() == 1 )  return nodes.get( 0 );

 

         Node nodeOfMaxWeight = null ; // 保存轮询选中的节点信息

         synchronized (nodes){

             // 打印信息对象:避免并发时打印出来的信息太乱,不利于观看结果

             StringBuffer sb = new StringBuffer();

             sb.append(Thread.currentThread().getName()+ "==加权轮询--[当前权重]值的变化:" +printCurrentWeight(nodes));

 

             // 选出当前权重最大的节点

             Node tempNodeOfMaxWeight = null ;

             for (Node node : nodes) {

                 if (tempNodeOfMaxWeight == null )

                     tempNodeOfMaxWeight = node;

                 else

                     tempNodeOfMaxWeight = tempNodeOfMaxWeight.compareTo(node) > 0 ? tempNodeOfMaxWeight : node;

             }

             // 必须new个新的节点实例来保存信息,否则引用指向同一个堆实例,后面的set操作将会修改节点信息

             nodeOfMaxWeight = new Node(tempNodeOfMaxWeight.getIp(),tempNodeOfMaxWeight.getWeight(),tempNodeOfMaxWeight.getEffectiveWeight(),tempNodeOfMaxWeight.getCurrentWeight());

 

             // 调整当前权重比:按权重(effectiveWeight)的比例进行调整,确保请求分发合理。

             tempNodeOfMaxWeight.setCurrentWeight(tempNodeOfMaxWeight.getCurrentWeight() - totalWeight);

             sb.append( " -> " +printCurrentWeight(nodes));

 

             nodes.forEach(node -> node.setCurrentWeight(node.getCurrentWeight()+node.getEffectiveWeight()));

 

             sb.append( " -> " +printCurrentWeight(nodes));

             System.out.println(sb); //打印权重变化过程

         }

         return nodeOfMaxWeight;

     }

 

     // 格式化打印信息

     private String printCurrentWeight(List<Node> nodes){

         StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer( "[" );

         nodes.forEach(node -> stringBuffer.append(node.getCurrentWeight()+ "," ) );

         return stringBuffer.substring( 0 , stringBuffer.length() - 1 ) + "]" ;

     }

 

     // 并发测试:两个线程循环获取节点

     public static void main(String[] args){

         Thread thread = new Thread(() -> {

             WeightedRoundRobin weightedRoundRobin1 = new WeightedRoundRobin();

             for ( int i= 1 ;i<=totalWeight;i++){

                 Node node = weightedRoundRobin1.selectNode();

                 System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "==第" +i+ "次轮询选中[当前权重最大]的节点:" + node + "\n" );

             }

         });

         thread.start();

         //

         WeightedRoundRobin weightedRoundRobin2 = new WeightedRoundRobin();

         for ( int i= 1 ;i<=totalWeight;i++){

             Node node = weightedRoundRobin2.selectNode();

             System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "==第" +i+ "次轮询选中[当前权重最大]的节点:" + node + "\n" );

         }

 

     }

}

执行结果:

main==加权轮询--[当前权重]值的变化:[1,3,2] -> [1,-3,2] -> [2,0,4] main==第1次轮询选中[当前权重最大]的节点:{ip='192.168.1.102', weight=3, effectiveWeight=3, currentWeight=3}

Thread-0==加权轮询--[当前权重]值的变化:[2,0,4] -> [2,0,-2] -> [3,3,0] Thread-0==第1次轮询选中[当前权重最大]的节点:{ip='192.168.1.103', weight=2, effectiveWeight=2, currentWeight=4}

main==加权轮询--[当前权重]值的变化:[3,3,0] -> [3,-3,0] -> [4,0,2] main==第2次轮询选中[当前权重最大]的节点:{ip='192.168.1.102', weight=3, effectiveWeight=3, currentWeight=3}

main==加权轮询--[当前权重]值的变化:[4,0,2] -> [-2,0,2] -> [-1,3,4] main==第3次轮询选中[当前权重最大]的节点:{ip='192.168.1.101', weight=1, effectiveWeight=1, currentWeight=4}

Thread-0==加权轮询--[当前权重]值的变化:[-1,3,4] -> [-1,3,-2] -> [0,6,0] Thread-0==第2次轮询选中[当前权重最大]的节点:{ip='192.168.1.103', weight=2, effectiveWeight=2, currentWeight=4}

main==加权轮询--[当前权重]值的变化:[0,6,0] -> [0,0,0] -> [1,3,2] main==第4次轮询选中[当前权重最大]的节点:{ip='192.168.1.102', weight=3, effectiveWeight=3, currentWeight=6}

Thread-0==加权轮询--[当前权重]值的变化:[1,3,2] -> [1,-3,2] -> [2,0,4] Thread-0==第3次轮询选中[当前权重最大]的节点:{ip='192.168.1.102', weight=3, effectiveWeight=3, currentWeight=3}

main==加权轮询--[当前权重]值的变化:[2,0,4] -> [2,0,-2] -> [3,3,0] main==第5次轮询选中[当前权重最大]的节点:{ip='192.168.1.103', weight=2, effectiveWeight=2, currentWeight=4}

Thread-0==加权轮询--[当前权重]值的变化:[3,3,0] -> [3,-3,0] -> [4,0,2] Thread-0==第4次轮询选中[当前权重最大]的节点:{ip='192.168.1.102', weight=3, effectiveWeight=3, currentWeight=3}

main==加权轮询--[当前权重]值的变化:[4,0,2] -> [-2,0,2] -> [-1,3,4] main==第6次轮询选中[当前权重最大]的节点:{ip='192.168.1.101', weight=1, effectiveWeight=1, currentWeight=4}

Thread-0==加权轮询--[当前权重]值的变化:[-1,3,4] -> [-1,3,-2] -> [0,6,0] Thread-0==第5次轮询选中[当前权重最大]的节点:{ip='192.168.1.103', weight=2, effectiveWeight=2, currentWeight=4}

Thread-0==加权轮询--[当前权重]值的变化:[0,6,0] -> [0,0,0] -> [1,3,2] Thread-0==第6次轮询选中[当前权重最大]的节点:{ip='192.168.1.102', weight=3, effectiveWeight=3, currentWeight=6}

为了方便分析,简化两线程执行后的结果

[当前权重]值的变化:[1,3,2] -> [1,-3,2] -> [2,0,4]

[当前权重]值的变化:[2,0,4] -> [2,0,-2] -> [3,3,0]

[当前权重]值的变化:[3,3,0] -> [3,-3,0] -> [4,0,2]

[当前权重]值的变化:[4,0,2] -> [-2,0,2] -> [-1,3,4]

[当前权重]值的变化:[-1,3,4] -> [-1,3,-2] -> [0,6,0]

[当前权重]值的变化:[0,6,0] -> [0,0,0] -> [1,3,2]

[当前权重]值的变化:[1,3,2] -> [1,-3,2] -> [2,0,4]

[当前权重]值的变化:[2,0,4] -> [2,0,-2] -> [3,3,0]

[当前权重]值的变化:[3,3,0] -> [3,-3,0] -> [4,0,2]

[当前权重]值的变化:[4,0,2] -> [-2,0,2] -> [-1,3,4]

[当前权重]值的变化:[-1,3,4] -> [-1,3,-2] -> [0,6,0]

[当前权重]值的变化:[0,6,0] -> [0,0,0] -> [1,3,2]

因为整个过程只有当前权重发生变化,所以分析清楚它就明白了整个过程。

结论:

分配完成后当前权重发生变化,但 权限之和还是等于最初值 ;

每6轮(1+3+2权重)就出现权重全部为0,所以会出现重新循环,6正好等于权重之和,权重比等于1/6 : 3/6 : 2/6;

a=权重1,b=权重3,c=权重2,那么权重变化的6(a+b+c)次中, 分配情况为:b c b a c b ,很明显,每个节点均匀按权重分配,节点分配不再是连续的。这也是最重要的结论,正是实现方式二在文初提到的要实现的关键点。

该算法在权重比相差很大时,比如:A=1,B=5,那这个算法的结果就跟方式一没啥区别了,分配结果就变成了:{A,B,B,B,B,B},既然没区别,那根据算法复杂情况,那肯定方式一更好了,所以方式一和方式二可以互补,可以根据权重比选择不同的算法。

留下悬念

第一点:节点出现分配失败时降低有效权重值,成功时提高有效权重值(但不能大于weight值)的功能。理解了方式二,后面再加这块功能进去就很好理解了;

第二点:该算法实现的背后数学证明,用的是什么数学理论?

总结

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