每个 Java 程序员都必须知道的四种负载均衡算法

要成为一名软件架构师，你必须掌握负载均衡算法。

一般来说，我们在设计系统的时候，为了系统的高扩展性，会尽可能的把系统创建为无状态的，这样我们就可以将它以集群的方式部署，这样我们就可以很容易地根据情况动态地增加或减少服务器的数量。到系统的访问。但是，要使系统具有更好的可扩展性，除了无状态设计之外，关键考虑的还是负载均衡算法。

什么是负载均衡

负载均衡是指多台服务器以对称的方式组成一个服务器集群。每台服务器具有同等地位（但不同的服务器可能有不同的性能），可以独立提供服务，无需其他服务器的协助。为了保证系统的可扩展性，需要有一种算法可以将系统负载平均分配到集群中的每台服务器上。这种算法称为负载均衡算法。负责执行负载均衡算法并平均分配请求的服务器称为负载均衡器。

随机算法

随机算法非常简单。该算法的核心是通过随机函数随机获取一个服务器进行访问。假设我们现在有四台服务器， 192.168.1.1~192.168.1.4 。该算法实现如下。

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);
        }
    }
}

当样本较小时，算法可能分布不均匀，但根据概率论，样本越大，负载会越均匀，而负载均衡算法原本就是为应对高并发场景而设计的。 该算法的另一个缺点是所有机器的访问概率相等。 如果服务器性能不同，负载将不平衡。

循环算法

Round-Robin 是另一种经典的负载均衡算法。 请求以循环方式分发到集群中的所有服务器。 同样，对于上述四台服务器，假设客户端向集群发送了 10 个请求，请求分布将如下图所示：

在这十个请求中，第一个、第五个和第九个请求将分配给 192.168.1.1，第二个、第六个和第十个请求将分配给 192.168.1.2，以此类推。 我们可以看到轮询算法可以在集群中平均分配请求。 但是，该算法与随机算法有同样的缺点。 如果服务器性能不同，负载将不均衡，所以需要加权轮询算法。

加权循环

加权轮询是在轮询的基础上，根据服务器的性能来分配权重。 服务器可以支持的请求越多，权重就越高，分配的请求就越多。 对于同样的 10 个请求，使用加权轮询算法的请求分布将如下图所示：

可以看到 192.168.1.4 的权重最大，分配的请求数也最多。 看一下我使用 Java 简单实现的以下加权循环算法。

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);
        }
    }

该算法的核心是currentWeight的动态计算。 在每台服务器被选中后，currentWeights需要减去所有服务器的权重之和，这样可以避免权重高的服务器一直被选中。 权重高的服务器有更多的分配请求，请求可以均匀地分布在所有服务器中。

哈希算法

哈希算法，顾名思义，就是使用哈希表，根据哈希码%N计算请求的路由。 这里，hashcode代表哈希值，N代表服务器数量。 该算法的优点是实现起来非常简单。 具体实现如下：

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(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);
        }
    }

哈希算法在很多缓存分布式存储系统中很常见，比如Memorycached和Redis，但是上面的哈希算法一般不会用到，而是优化的一致性哈希算法（本文就不介绍了。有兴趣的我会单独写一篇 一致性哈希算法介绍），因为上述哈希算法对于缓存系统有一个致命的缺点。 如果服务器增加或减少，大量缓存不会被命中。

介绍完四种负载均衡算法后，希望这篇文章能让大家对负载均衡策略有更深入的了解。 感谢您的阅读。

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