Dubbo负载均衡策略之平滑加权轮询-京东云开发者社区

### 1 简介

**LoadBalance** 中文意思为负载均衡，它的职责是将网络请求，或者其他形式的负载“均摊”到不同的机器上。避免集群中部分服务器压力过大，而另一些服务器比较空闲的情况。通过负载均衡，可以让每台服务器获取到适合自己处理能力的负载。在为高负载服务器分流的同时，还可以避免资源浪费，一举两得。负载均衡可分为软件负载均衡和硬件负载均衡。在我们日常开发中，一般很难接触到硬件负载均衡。但软件负载均衡还是可以接触到的，比如 Nginx。在 Dubbo 中，也有负载均衡的概念和相应的实现。

Dubbo 需要对服务消费者的调用请求进行分配，避免少数服务提供者负载过大。服务提供者负载过大，会导致部分请求超时。因此将负载均衡到每个服务提供者上是非常必要的。Dubbo 提供了4种负载均衡实现，分别是基于权重随机算法的 RandomLoadBalance、基于最少活跃调用数算法的 LeastActiveLoadBalance、基于 hash 一致性的 ConsistentHashLoadBalance，以及基于加权轮询算法的 RoundRobinLoadBalance。

### 2 加权轮询

首先，我们来看一下 Dubbo 中加权轮询负载均衡的实现 RoundRobinLoadBalance。在详细分析源码前，我们先来了解一下什么是加权轮询。这里从最简单的轮询开始讲起，所谓轮询是指将请求轮流分配给每台服务器。举个例子，我们有三台服务器 A、B、C。我们将第一个请求分配给服务器 A，第二个请求分配给服务器 B，第三个请求分配给服务器 C，第四个请求再次分配给服务器 A。这个过程就叫做轮询。轮询是一种无状态负载均衡算法，实现简单，适用于每台服务器性能相近的场景下。

但现实情况下，我们并不能保证每台服务器性能均相近。如果我们将等量的请求分配给性能较差的服务器，这显然是不合理的。因此，这个时候我们需要对轮询过程进行加权，以调控每台服务器的负载。经过加权后，每台服务器能够得到的请求数比例，接近或等于他们的权重比。比如服务器 A、B、C 权重比为 5:2:1。那么在8次请求中，服务器 A 将收到其中的5次请求，服务器 B 会收到其中的2次请求，服务器 C 则收到其中的1次请求。

以上就是加权轮询的算法思想，搞懂了这个思想，接下来我们就可以分析源码了。我们先来看一下 2.6.4 版本的 RoundRobinLoadBalance。

```java
public class RoundRobinLoadBalance extends AbstractLoadBalance {

public static final String NAME = "roundrobin";

private final ConcurrentMap<String, AtomicPositiveInteger> sequences = 
        new ConcurrentHashMap<String, AtomicPositiveInteger>();

@Override
    protected <T> Invoker<T> doSelect(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
        // key = 全限定类名 + "." + 方法名，比如 com.xxx.DemoService.sayHello
        String key = invokers.get(0).getUrl().getServiceKey() + "." + invocation.getMethodName();
        int length = invokers.size();
        // 最大权重
        int maxWeight = 0;
        // 最小权重
        int minWeight = Integer.MAX_VALUE;
        final LinkedHashMap<Invoker<T>, IntegerWrapper> invokerToWeightMap = new LinkedHashMap<Invoker<T>, IntegerWrapper>();
        // 权重总和
        int weightSum = 0;

// 下面这个循环主要用于查找最大和最小权重，计算权重总和等
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            int weight = getWeight(invokers.get(i), invocation);
            // 获取最大和最小权重
            maxWeight = Math.max(maxWeight, weight);
            minWeight = Math.min(minWeight, weight);
            if (weight > 0) {
                // 将 weight 封装到 IntegerWrapper 中
                invokerToWeightMap.put(invokers.get(i), new IntegerWrapper(weight));
                // 累加权重
                weightSum += weight;
            }
        }

// 查找 key 对应的对应 AtomicPositiveInteger 实例，为空则创建。
        // 这里可以把 AtomicPositiveInteger 看成一个黑盒，大家只要知道
        // AtomicPositiveInteger 用于记录服务的调用编号即可。至于细节，
        // 大家如果感兴趣，可以自行分析
        AtomicPositiveInteger sequence = sequences.get(key);
        if (sequence == null) {
            sequences.putIfAbsent(key, new AtomicPositiveInteger());
            sequence = sequences.get(key);
        }
// 获取当前的调用编号
        int currentSequence = sequence.getAndIncrement();
        // 如果最小权重小于最大权重，表明服务提供者之间的权重是不相等的
        if (maxWeight > 0 && minWeight < maxWeight) {
            // 使用调用编号对权重总和进行取余操作
            int mod = currentSequence % weightSum;
            // 进行 maxWeight 次遍历
            for (int i = 0; i < maxWeight; i++) {
                // 遍历 invokerToWeightMap
                for (Map.Entry<Invoker<T>, IntegerWrapper> each : invokerToWeightMap.entrySet()) {
					// 获取 Invoker
                    final Invoker<T> k = each.getKey();
                    // 获取权重包装类 IntegerWrapper
                    final IntegerWrapper v = each.getValue();
                    
                    // 如果 mod = 0，且权重大于0，此时返回相应的 Invoker
                    if (mod == 0 && v.getValue() > 0) {
                        return k;
                    }
                    
                    // mod != 0，且权重大于0，此时对权重和 mod 分别进行自减操作
                    if (v.getValue() > 0) {
                        v.decrement();
                        mod--;
                    }
                }
            }
        }
        
        // 服务提供者之间的权重相等，此时通过轮询选择 Invoker
        return invokers.get(currentSequence % length);
    }

// IntegerWrapper 是一个 int 包装类，主要包含了一个自减方法。
    private static final class IntegerWrapper {
        private int value;

public void decrement() {
            this.value--;
        }
        // 省略部分代码
    }
}
```

如上，RoundRobinLoadBalance 的每行代码都不是很难理解，但是将它们组合在一起之后，就不是很好理解了。所以下面我们举例进行说明，假设我们有三台服务器 servers = [A, B, C]，对应的权重为 weights = [2, 5, 1]。接下来对上面的逻辑进行简单的模拟。

- mod = 0：满足条件，此时直接返回服务器 A
- mod = 1：需要进行一次递减操作才能满足条件，此时返回服务器 B
- mod = 2：需要进行两次递减操作才能满足条件，此时返回服务器 C
- mod = 3：需要进行三次递减操作才能满足条件，经过递减后，服务器权重为 [1, 4, 0]，此时返回服务器 A
- mod = 4：需要进行四次递减操作才能满足条件，经过递减后，服务器权重为 [0, 4, 0]，此时返回服务器 B
- mod = 5：需要进行五次递减操作才能满足条件，经过递减后，服务器权重为 [0, 3, 0]，此时返回服务器 B
- mod = 6：需要进行六次递减操作才能满足条件，经过递减后，服务器权重为 [0, 2, 0]，此时返回服务器 B
- mod = 7：需要进行七次递减操作才能满足条件，经过递减后，服务器权重为 [0, 1, 0]，此时返回服务器 B

经过8次调用后，我们得到的负载均衡结果为 [A, B, C, A, B, B, B, B]，次数比 A:B:C = 2:5:1，等于权重比。当 sequence = 8 时，mod = 0，此时重头再来。从上面的模拟过程可以看出，当 mod >= 3 后，服务器 C 就不会被选中了，因为它的权重被减为0了。当 mod >= 4 后，服务器 A 的权重被减为0，此后 A 就不会再被选中。

以上是 2.6.4 版本的 RoundRobinLoadBalance 分析过程，2.6.4 版本的 RoundRobinLoadBalance 在某些情况下存在着比较严重的性能问题，该问题最初是在 issue #2578 中被反馈出来。问题出在了 Invoker 的返回时机上，RoundRobinLoadBalance 需要在mod == 0 && v.getValue() > 0 条件成立的情况下才会被返回相应的 Invoker。假如 mod 很大，比如 10000，50000，甚至更大时，doSelect 方法需要进行很多次计算才能将 mod 减为0。

由此可知，doSelect 的效率与 mod 有关，时间复杂度为 O(mod)。mod 又受最大权重 maxWeight 的影响，因此当某个服务提供者配置了非常大的权重，此时 RoundRobinLoadBalance 会产生比较严重的性能问题。这个问题被反馈后，社区很快做了回应。并对 RoundRobinLoadBalance 的代码进行了重构，将时间复杂度优化至了常量级别。这个优化可以说很好了，下面我们来学习一下优化后的代码。

### 3 常数级别加权轮询

```java
public class RoundRobinLoadBalance extends AbstractLoadBalance {

public static final String NAME = "roundrobin";

private final ConcurrentMap<String, AtomicPositiveInteger> sequences = new ConcurrentHashMap<String, AtomicPositiveInteger>();

private final ConcurrentMap<String, AtomicPositiveInteger> indexSeqs = new ConcurrentHashMap<String, AtomicPositiveInteger>();

@Override
    protected <T> Invoker<T> doSelect(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
        String key = invokers.get(0).getUrl().getServiceKey() + "." + invocation.getMethodName();
        int length = invokers.size();
        int maxWeight = 0;
        int minWeight = Integer.MAX_VALUE;
        final List<Invoker<T>> invokerToWeightList = new ArrayList<>();
        
        // 查找最大和最小权重
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            int weight = getWeight(invokers.get(i), invocation);
            maxWeight = Math.max(maxWeight, weight);
            minWeight = Math.min(minWeight, weight);
            if (weight > 0) {
                invokerToWeightList.add(invokers.get(i));
            }
        }
        
        // 获取当前服务对应的调用序列对象 AtomicPositiveInteger
        AtomicPositiveInteger sequence = sequences.get(key);
        if (sequence == null) {
            // 创建 AtomicPositiveInteger，默认值为0
            sequences.putIfAbsent(key, new AtomicPositiveInteger());
            sequence = sequences.get(key);
        }
        
        // 获取下标序列对象 AtomicPositiveInteger
        AtomicPositiveInteger indexSeq = indexSeqs.get(key);
        if (indexSeq == null) {
            // 创建 AtomicPositiveInteger，默认值为 -1
            indexSeqs.putIfAbsent(key, new AtomicPositiveInteger(-1));
            indexSeq = indexSeqs.get(key);
        }
if (maxWeight > 0 && minWeight < maxWeight) {
            length = invokerToWeightList.size();
            while (true) {
                int index = indexSeq.incrementAndGet() % length;
                int currentWeight = sequence.get() % maxWeight;

// 每循环一轮（index = 0），重新计算 currentWeight
                if (index == 0) {
                    currentWeight = sequence.incrementAndGet() % maxWeight;
                }
                
                // 检测 Invoker 的权重是否大于 currentWeight，大于则返回
                if (getWeight(invokerToWeightList.get(index), invocation) > currentWeight) {
                    return invokerToWeightList.get(index);
                }
            }
        }
        
        // 所有 Invoker 权重相等，此时进行普通的轮询即可
        return invokers.get(sequence.incrementAndGet() % length);   
    }
}
```

上面代码的逻辑是这样的，每进行一轮循环，重新计算 currentWeight。如果当前 Invoker 权重大于 currentWeight，则返回该 Invoker。下面举例说明，假设服务器 [A, B, C] 对应权重 [5, 2, 1]。

- 第一轮循环，currentWeight = 1，可返回 A 和 B
- 第二轮循环，currentWeight = 2，返回 A
- 第三轮循环，currentWeight = 3，返回 A
- 第四轮循环，currentWeight = 4，返回 A
- 第五轮循环，currentWeight = 0，返回 A, B, C

如上，这里的一轮循环是指 index 再次变为0所经历过的循环，这里可以把 index = 0 看做是一轮循环的开始。每一轮循环的次数与 Invoker 的数量有关，Invoker 数量通常不会太多，所以我们可以认为上面代码的时间复杂度为常数级。

### 4 平滑加权轮询
重构后的 RoundRobinLoadBalance 看起来已经很不错了，但是在代码更新不久后，很快又被重构了。这次重构原因是新的 RoundRobinLoadBalance 在某些情况下选出的服务器序列不够均匀。比如，服务器 [A, B, C] 对应权重 [5, 1, 1]。进行7次负载均衡后，选择出来的序列为 [A, A, A, A, A, B, C]。前5个请求全部都落在了服务器 A上，这将会使服务器 A 短时间内接收大量的请求，压力陡增。而 B 和 C 此时无请求，处于空闲状态。而我们期望的结果是这样的 [A, A, B, A, C, A, A]，不同服务器可以穿插获取请求。

为了增加负载均衡结果的平滑性，社区再次对 RoundRobinLoadBalance 的实现进行了重构，这次重构参考自 Nginx 的平滑加权轮询负载均衡。每个服务器对应两个权重，分别为 weight 和 currentWeight。其中 weight 是固定的，currentWeight 会动态调整，初始值为0。当有新的请求进来时，遍历服务器列表，让它的 currentWeight 加上自身权重。遍历完成后，找到最大的 currentWeight，并将其减去权重总和，然后返回相应的服务器即可。

上面描述不是很好理解，下面还是举例进行说明。这里仍然使用服务器 [A, B, C] 对应权重 [5, 1, 1] 的例子说明，现在有7个请求依次进入负载均衡逻辑，选择过程如下：

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/69535305-a70c-4084-80a6-86a1e414546c20211129143613.png)

如上，经过平滑性处理后，得到的服务器序列为 [A, A, B, A, C, A, A]，相比之前的序列 [A, A, A, A, A, B, C]，分布性要好一些。初始情况下 currentWeight = [0, 0, 0]，第7个请求处理完后，currentWeight 再次变为 [0, 0, 0]。

以上就是平滑加权轮询的计算过程，接下来，我们来看看 Dubbo-2.6.5 是如何实现上面的计算过程的。

```java
public class RoundRobinLoadBalance extends AbstractLoadBalance {
    public static final String NAME = "roundrobin";
    
    private static int RECYCLE_PERIOD = 60000;
    
    protected static class WeightedRoundRobin {
        // 服务提供者权重
        private int weight;
        // 当前权重
        private AtomicLong current = new AtomicLong(0);
        // 最后一次更新时间
        private long lastUpdate;
        
        public void setWeight(int weight) {
            this.weight = weight;
            // 初始情况下，current = 0
            current.set(0);
        }
        public long increaseCurrent() {
            // current = current + weight；
            return current.addAndGet(weight);
        }
        public void sel(int total) {
            // current = current - total;
            current.addAndGet(-1 * total);
        }
    }

// 嵌套 Map 结构，存储的数据结构示例如下：
    // {
    //     "UserService.query": {
    //         "url1": WeightedRoundRobin@123, 
    //         "url2": WeightedRoundRobin@456, 
    //     },
    //     "UserService.update": {
    //         "url1": WeightedRoundRobin@123, 
    //         "url2": WeightedRoundRobin@456,
    //     }
    // }
    // 最外层为服务类名 + 方法名，第二层为 url 到 WeightedRoundRobin 的映射关系。
    // 这里我们可以将 url 看成是服务提供者的 id
private ConcurrentMap<String, ConcurrentMap<String, WeightedRoundRobin>> methodWeightMap = new ConcurrentHashMap<String, ConcurrentMap<String, WeightedRoundRobin>>();
    
    // 原子更新锁
    private AtomicBoolean updateLock = new AtomicBoolean();
    
    @Override
    protected <T> Invoker<T> doSelect(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
        String key = invokers.get(0).getUrl().getServiceKey() + "." + invocation.getMethodName();
        // 获取 url 到 WeightedRoundRobin 映射表，如果为空，则创建一个新的
        ConcurrentMap<String, WeightedRoundRobin> map = methodWeightMap.get(key);
        if (map == null) {
            methodWeightMap.putIfAbsent(key, new ConcurrentHashMap<String, WeightedRoundRobin>());
            map = methodWeightMap.get(key);
        }
        int totalWeight = 0;
        long maxCurrent = Long.MIN_VALUE;
        
        // 获取当前时间
        long now = System.currentTimeMillis();
        Invoker<T> selectedInvoker = null;
        WeightedRoundRobin selectedWRR = null;

// 下面这个循环主要做了这样几件事情：
        //   1. 遍历 Invoker 列表，检测当前 Invoker 是否有
        //      相应的 WeightedRoundRobin，没有则创建
        //   2. 检测 Invoker 权重是否发生了变化，若变化了，
        //      则更新 WeightedRoundRobin 的 weight 字段
        //   3. 让 current 字段加上自身权重，等价于 current += weight
        //   4. 设置 lastUpdate 字段，即 lastUpdate = now
        //   5. 寻找具有最大 current 的 Invoker，以及 Invoker 对应的 WeightedRoundRobin，
        //      暂存起来，留作后用
        //   6. 计算权重总和
        for (Invoker<T> invoker : invokers) {
            String identifyString = invoker.getUrl().toIdentityString();
            WeightedRoundRobin weightedRoundRobin = map.get(identifyString);
            int weight = getWeight(invoker, invocation);
            if (weight < 0) {
                weight = 0;
            }
            // 检测当前 Invoker 是否有对应的 WeightedRoundRobin，没有则创建
            if (weightedRoundRobin == null) {
                weightedRoundRobin = new WeightedRoundRobin();
                // 设置 Invoker 权重
                weightedRoundRobin.setWeight(weight);
                // 存储 url 唯一标识 identifyString 到 weightedRoundRobin 的映射关系
                map.putIfAbsent(identifyString, weightedRoundRobin);
                weightedRoundRobin = map.get(identifyString);
            }
            // Invoker 权重不等于 WeightedRoundRobin 中保存的权重，说明权重变化了，此时进行更新
            if (weight != weightedRoundRobin.getWeight()) {
                weightedRoundRobin.setWeight(weight);
            }
            
            // 让 current 加上自身权重，等价于 current += weight
            long cur = weightedRoundRobin.increaseCurrent();
            // 设置 lastUpdate，表示近期更新过
            weightedRoundRobin.setLastUpdate(now);
            // 找出最大的 current 
            if (cur > maxCurrent) {
                maxCurrent = cur;
                // 将具有最大 current 权重的 Invoker 赋值给 selectedInvoker
                selectedInvoker = invoker;
                // 将 Invoker 对应的 weightedRoundRobin 赋值给 selectedWRR，留作后用
                selectedWRR = weightedRoundRobin;
            }
            
            // 计算权重总和
            totalWeight += weight;
        }
// 对 <identifyString, WeightedRoundRobin> 进行检查，过滤掉长时间未被更新的节点。
        // 该节点可能挂了，invokers 中不包含该节点，所以该节点的 lastUpdate 长时间无法被更新。
        // 若未更新时长超过阈值后，就会被移除掉，默认阈值为60秒。
        if (!updateLock.get() && invokers.size() != map.size()) {
            if (updateLock.compareAndSet(false, true)) {
                try {
                    ConcurrentMap<String, WeightedRoundRobin> newMap = new ConcurrentHashMap<String, WeightedRoundRobin>();
                    // 拷贝
                    newMap.putAll(map);
                    
                    // 遍历修改，即移除过期记录
                    Iterator<Entry<String, WeightedRoundRobin>> it = newMap.entrySet().iterator();
                    while (it.hasNext()) {
                        Entry<String, WeightedRoundRobin> item = it.next();
                        if (now - item.getValue().getLastUpdate() > RECYCLE_PERIOD) {
                            it.remove();
                        }
                    }
                    
                    // 更新引用
                    methodWeightMap.put(key, newMap);
                } finally {
                    updateLock.set(false);
                }
            }
        }

if (selectedInvoker != null) {
            // 让 current 减去权重总和，等价于 current -= totalWeight
            selectedWRR.sel(totalWeight);
            // 返回具有最大 current 的 Invoker
            return selectedInvoker;
        }
 // should not happen here
        return invokers.get(0);
    }
}
```

以上就是 Dubbo-2.6.5 版本的 RoundRobinLoadBalance，大家如果能够理解平滑加权轮询算法的计算过程，再配合代码中注释，理解上面的代码应该不难。

### 5 总结
对于一个算法的实现来说，进行简单的实现可能会是比较容易的，但是如何利用更小的复杂度，实现更高效的性能，这才是最重要的，也是难点所在之处。正如加权轮询算法来说，作为国内顶级的公司来说，还是从最初时的O（mod）的复杂度，一点点过滤到了平滑的算法，技术是一点点的向前进步的。

从Dubbo实现平滑加权，借鉴了Nginx的负载均衡的算法来说，技术也是开源开放的，站在巨人的肩膀之上，会让技术一步一步发展的更好，更快。

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###### 自猿其说Tech-京东物流技术发展部
###### 作者：乔杰  李武

Dubbo负载均衡策略之 平滑加权轮询

Dubbo负载均衡策略之平滑加权轮询