工具系列 | 负载均衡算法 - 轮询算法

简介

在分布式系统中，为了实现负载均衡，必然会涉及到负载调度算法，如 Nginx 和 RPC 服务发现等场景。常见的负载均衡算法有轮询、源地址 Hash、最少连接数，而轮询是最简单且应用最广的算法。

三种常见的轮询调度算法

简单轮询
加权轮询
平滑加权轮询

本文将用如下 4 个服务，来详细说明轮询调度过程。

服务实例	权重值
192.168.10.1	1
192.168.10.2	2
192.168.10.3	3
192.168.10.4	4

简单轮询

简单轮询是轮询算法中最简单的一种，但由于它不支持配置负载，所以应用较少。

算法描述

假设有 N 台实例 S = {S1, S2, …, Sn}，指示变量 currentPos 表示当前选择的实例 ID，初始化为 -1。

算法描述

1、调度到下一个实例； 2、若所有实例已被调度过一次，则从头开始调度； 3、每次调度重复步骤 1、2；

调度过程

请求	currentPos	选中的实例
1	0	192.168.10.1
2	1	192.168.10.2
3	2	192.168.10.3
4	3	192.168.10.4
5	0	192.168.10.1

代码实现

首先，定义一个统一的操作接口，主要有init()和next()这 2 个方法。

interface RobinInterface
{
    /**
     * 初始化服务权重
     * @param array $services
     */
    public function init(array $services);

    /**
     * 获取一个服务
     * @return string
     */
    public function next();
}

然后，根据简单轮询算法思路，实现上述接口：

class Robin implements RobinInterface
{
    private $services = [];

    private $total;

    private $currentPos = -1;

    public function init(array $services)
    {
        $this->services = $services;
        $this->total = count($services);
    }

    public function next()
    {
        // 已调度完一圈,重置currentPos值为第一个实例位置
        $this->currentPos = ($this->currentPos + 1) % $this->total;

        return $this->services[$this->currentPos];
    }
}

其中，total为总实例数量，services为服务实例列表。由于简单轮询不需要配置权重，因此可简单配置为：

$services = [
    '192.168.10.1',
    '192.168.10.2',
    '192.168.10.3',
    '192.168.10.4',
];

优缺点分析

在实际应用中，同一个服务会部署到不同的硬件环境，会出现性能不同的情况。若直接使用简单轮询调度算法，给每个服务实例相同的负载，那么，必然会出现资源浪费的情况。因此为了避免这种情况，一些人就提出了下面的加权轮询算法。

加权轮询

加权轮询算法引入了“权”值，改进了简单轮询算法，可以根据硬件性能配置实例负载的权重，从而达到资源的合理利用。

算法描述

假设有 N 台实例 S = {S1, S2, …, Sn}，权重 W = {W1, W2, …, Wn}，指示变量 currentPos 表示当前选择的实例 ID，初始化为 -1；变量 currentWeight 表示当前权重，初始值为 max(S)；max(S) 表示 N 台实例的最大权重值，gcd(S) 表示 N 台实例权重的最大公约数。

算法可以描述为：

1、从上一次调度实例起，遍历后面的每个实例；

2、若所有实例已被遍历过一次，则减小 currentWeight 为 currentWeight - gcd(S)，并从头开始遍历；若 currentWeight 小于等于 0，则重置为 max(S)；

3、直到遍历的实例的权重大于等于 currentWeight 时结束，此时实例为需调度的实例；

4、每次调度重复步骤 1、2、3；

例如，上述 4 个服务，最大权重 max(S) 为 4，最大公约数 gcd(S) 为 1。其调度过程如下：

请求	currentPos	currentWeight	选中的实例
1	3	4	192.168.10.4
2	2	3	192.168.10.3
3	3	3	192.168.10.4
4	1	2	192.168.10.2
…	…	…	…
9	2	1	192.168.10.3
10	3	4	192.168.10.4

代码实现

class WeightedRobin implements RobinInterface
{
    private $services = array();

    private $total;

    private $currentPos = -1;

    private $currentWeight;

    public function init(array $services)
    {
        foreach ($services as $ip => $weight) {
            $this->services[] = [
                'ip' => $ip,
                'weight' => $weight,
            ];
        }

        $this->total = count($this->services);
    }

    public function next()
    {
        $i = $this->currentPos;
        while (true) {
            $i = ($i + 1) % $this->total;

            // 已全部被遍历完一次
            if (0 === $i) {
                // 减currentWeight
                $this->currentWeight -= $this->getGcd();

                // 赋值currentWeight为0,回归到初始状态
                if ($this->currentWeight <= 0) {
                    $this->currentWeight = $this->getMaxWeight();
                }
            }

            // 直到当前遍历实例的weight大于或等于currentWeight
            if ($this->services[$i]['weight'] >= $this->currentWeight) {
                $this->currentPos = $i;

                return $this->services[$this->currentPos]['ip'];
            }
        }
    }

    /**
     * 求两数的最大公约数(基于欧几里德算法,可使用gmp_gcd())
     *
     * @param integer $a
     * @param integer $b
     *
     * @return integer
     */
    private function gcd($a, $b)
    {
        $rem = 0;
        while ($b) {
            $rem = $a % $b;
            $a = $b;
            $b = $rem;
        }

        return $a;
    }

    /**
     * 获取最大公约数
     *
     * @return integer
     */
    private function getGcd()
    {
        $gcd = $this->services[0]['weight'];

        for ($i = 0; $i < $this->total; $i++) {
            $gcd = $this->gcd($gcd, $this->services[$i]['weight']);
        }

        return $gcd;
    }

    /**
     * 获取最大权重值
     *
     * @return integer
     */
    private function getMaxWeight()
    {
        $maxWeight = 0;
        foreach ($this->services as $node) {
            if ($node['weight'] >= $maxWeight) {
                $maxWeight = $node['weight'];
            }
        }

        return $maxWeight;
    }
}

其中，getMaxWeight()为所有实例的最大权重值；getGcd()为所有实例权重的最大公约数，主要是通过gcd()方法（可用gmp_gcd()函数）求得 2 个数的最大公约数，然后求每一个实例的权重与当前最大公约数的最大公约数。实现如下：

private function getGcd()
{
    $gcd = $this->services[0]['weight'];

    for ($i = 0; $i < $this->total; $i++) {
        $gcd = $this->gcd($gcd, $this->services[$i]['weight']);
    }

    return $gcd;
}

需要注意的是，在配置services服务列表时，需要指定其权重：

$services = [
    '192.168.10.1' => 1,
    '192.168.10.2' => 2,
    '192.168.10.3' => 3,
    '192.168.10.4' => 4,
];

优缺点分析

加权轮询算法虽然通过配置实例权重，解决了简单轮询的资源利用问题，但是它还是存在一个比较明显的缺陷。例如：

服务实例 S = {a, b, c}，权重 W = {5, 1, 1}，使用加权轮询调度生成的实例序列为 {a, a, a, a, a, b, c}，那么就会存在连续 5 个请求都被调度到实例 a。而实际中，这种不均匀的负载是不被允许的，因为连续请求会突然加重实例 a 的负载，可能会导致严重的事故。

为了解决加权轮询调度不均匀的缺陷，一些人提出了平滑加权轮询调度算法，它会生成的更均匀的调度序列 {a, a, b, a, c, a, a}。对于神秘的平滑加权轮询算法，我将在后续文章中详细介绍它的原理和实现。

总结

轮询算法是最简单的调度算法，因为它无需记录当前所有连接的状态，所以它是一种无状态的调度算法，这些特性使得它应用较广。

轮询调度算法并不能动态感知每个实例的负载，它完全依赖于我们的工程经验，人为配置权重来实现基本的负载均衡，并不能保证服务的高可用性。若服务的某些实例因其他原因负载突然加重，轮询调度还是会一如既往地分配请求给这个实例，因此可能会形成小面积的宕机，导致服务的局部不可用。

源码地址https://github.com/Tinywan/load-balancing