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标题: Dubbo源码(八) - 负载均衡 [打印本页]

作者: 大连密封材料    时间: 2022-9-16 17:20
标题: Dubbo源码(八) - 负载均衡
前言

本文基于Dubbo2.6.x版本,中文注释版源码已上传github:xiaoguyu/dubbo
负载均衡,英文名称为Load Balance,其含义就是指将负载(工作任务)进行平衡、分摊到多个操作单元上进行运行。
例如:在Dubbo中,同一个服务有多个服务提供者,每个服务提供者所在的机器性能不一致。如果流量均匀分摊,则会导致有些服务提供者负载过高,有些则轻轻松松,导致资源浪费。负载均衡就解决这个问题。
源码

LoadBalance就是负载均衡的接口,咱们先看看类图

Dubbo提供了4中内置的负载均衡实现:
那么负载均衡是在哪里被用的的呢?
AbstractClusterInvoker的select和reselect方法。不熟悉这两个方法的,可以去看《Dubbo集群》
AbstractLoadBalance

抽象类封装了一些公共的逻辑,在看具体实现类之前,我们先看看抽象类AbstractLoadBalance中的方法
  1. public <T> Invoker<T> select(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
  2.     if (invokers == null || invokers.isEmpty())
  3.         return null;
  4.     // 如果 invokers 列表中仅有一个 Invoker,直接返回即可,无需进行负载均衡
  5.     if (invokers.size() == 1)
  6.         return invokers.get(0);
  7.     // 调用 doSelect 方法进行负载均衡,该方法为抽象方法,由子类实现
  8.     return doSelect(invokers, url, invocation);
  9. }
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LoadBalance接口只有一个方法,那就是 select 方法,这是负载均衡的入口。根据 invoker 数量判断是否需要进行负载均衡。这里的 doSelect 是个抽象方法,由子类实现。
  1. protected int getWeight(Invoker<?> invoker, Invocation invocation) {
  2.     int weight = invoker.getUrl().getMethodParameter(invocation.getMethodName(), Constants.WEIGHT_KEY, Constants.DEFAULT_WEIGHT);
  3.     if (weight > 0) {
  4.         // 获取服务提供者启动时间戳
  5.         long timestamp = invoker.getUrl().getParameter(Constants.REMOTE_TIMESTAMP_KEY, 0L);
  6.         if (timestamp > 0L) {
  7.             // 计算服务提供者运行时长
  8.             int uptime = (int) (System.currentTimeMillis() - timestamp);
  9.             // 获取服务预热时间,默认为10分钟
  10.             int warmup = invoker.getUrl().getParameter(Constants.WARMUP_KEY, Constants.DEFAULT_WARMUP);
  11.             // 如果服务运行时间小于预热时间,则重新计算服务权重,即降权
  12.             if (uptime > 0 && uptime < warmup) {
  13.                 // 重新计算服务权重
  14.                 weight = calculateWarmupWeight(uptime, warmup, weight);
  15.             }
  16.         }
  17.     }
  18.     return weight;
  19. }
  20. static int calculateWarmupWeight(int uptime, int warmup, int weight) {
  21.     // 计算权重,下面代码逻辑上形似于 (uptime / warmup) * weight。
  22.     // 随着服务运行时间 uptime 增大,权重计算值 ww 会慢慢接近配置值 weight
  23.     int ww = (int) ((float) uptime / ((float) warmup / (float) weight));
  24.     return ww < 1 ? 1 : (ww > weight ? weight : ww);
  25. }
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getWeight 是获取权重的方法,默认权重为100,这里有个服务预热的操作,当服务的启动时间小于预热时间,权重会减少,这个权重由 calculateWarmupWeight 方法计算。
预热的目的是让服务启动后“低功率”运行一段时间,使其效率慢慢提升至最佳状态。
以上就是抽象类的全部方法。下面我们看实现类的。
RandomLoadBalance

RandomLoadBalance 是加权随机算法的具体实现,是Dubbo默认的负载均衡策略。
假设我们有一组服务器 servers = [A, B, C],他们对应的权重为 weights = [5, 3, 2],权重总和为10。

我们取一个大于等于0,小于10的随机数,计算随机数落在哪个区间。例如4在A区间,7在B区间。
权重越大,落在该区间的概率就越大。这就是加权随机算法。
下面看具体代码实现
  1. public class RandomLoadBalance extends AbstractLoadBalance {
  2.     public static final String NAME = "random";
  3.     private final Random random = new Random();
  4.     @Override
  5.     protected <T> Invoker<T> doSelect(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
  6.         int length = invokers.size(); // Number of invokers
  7.         int totalWeight = 0; // The sum of weights
  8.         boolean sameWeight = true; // Every invoker has the same weight?
  9.         // 下面这个循环有两个作用,第一是计算总权重 totalWeight,
  10.         // 第二是检测每个服务提供者的权重是否相同
  11.         for (int i = 0; i < length; i++) {
  12.             int weight = getWeight(invokers.get(i), invocation);
  13.             totalWeight += weight; // Sum
  14.             // 检测当前服务提供者的权重与上一个服务提供者的权重是否相同,
  15.             // 不相同的话,则将 sameWeight 置为 false。
  16.             if (sameWeight && i > 0
  17.                     && weight != getWeight(invokers.get(i - 1), invocation)) {
  18.                 sameWeight = false;
  19.             }
  20.         }
  21.         if (totalWeight > 0 && !sameWeight) {
  22.             // 随机获取一个 [0, totalWeight) 区间内的数字
  23.             int offset = random.nextInt(totalWeight);
  24.             // Return a invoker based on the random value.
  25.             // 循环让 offset 数减去服务提供者权重值,当 offset 小于0时,返回相应的 Invoker。
  26.             // 举例说明一下,我们有 servers = [A, B, C],weights = [5, 3, 2],offset = 7。
  27.             // 第一次循环,offset - 5 = 2 > 0,即 offset > 5,
  28.             // 表明其不会落在服务器 A 对应的区间上。
  29.             // 第二次循环,offset - 3 = -1 < 0,即 5 < offset < 8,
  30.             // 表明其会落在服务器 B 对应的区间上
  31.             for (int i = 0; i < length; i++) {
  32.                 // 让随机值 offset 减去权重值
  33.                 offset -= getWeight(invokers.get(i), invocation);
  34.                 if (offset < 0) {
  35.                     // 返回相应的 Invoker
  36.                     return invokers.get(i);
  37.                 }
  38.             }
  39.         }
  40.         // 如果所有服务提供者权重值相同,此时直接随机返回一个即可
  41.         return invokers.get(random.nextInt(length));
  42.     }
  43. }
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如果权重一致,就随机选择一个。如果权重不同,则根据权重分配。
LeastActiveLoadBalance

最小活跃数负载均衡。这个活跃数表示执行中的请求数量。每个服务提供者对应一个活跃数 active。初始情况下,所有服务提供者活跃数均为0。每收到一个请求,活跃数加1,完成请求后则将活跃数减1。
在流量均匀的情况下,活跃数越低的服务提供者,其性能越好。
  1. protected <T> Invoker<T> doSelect(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
  2.     int length = invokers.size(); // Number of invokers
  3.     // 最小的活跃数
  4.     int leastActive = -1; // The least active value of all invokers
  5.     // 具有相同“最小活跃数”的服务者提供者(以下用 Invoker 代称)数量
  6.     int leastCount = 0; // The number of invokers having the same least active value (leastActive)
  7.     // leastIndexs 用于记录具有相同“最小活跃数”的 Invoker 在 invokers 列表中的下标信息
  8.     int[] leastIndexs = new int[length]; // The index of invokers having the same least active value (leastActive)
  9.     int totalWeight = 0; // The sum of with warmup weights
  10.     // 第一个最小活跃数的 Invoker 权重值,用于与其他具有相同最小活跃数的 Invoker 的权重进行对比,
  11.     // 以检测是否“所有具有相同最小活跃数的 Invoker 的权重”均相等
  12.     int firstWeight = 0; // Initial value, used for comparision
  13.     boolean sameWeight = true; // Every invoker has the same weight value?
  14.     // 遍历 invokers 列表
  15.     for (int i = 0; i < length; i++) {
  16.         Invoker<T> invoker = invokers.get(i);
  17.         // 获取 Invoker 对应的活跃数
  18.         int active = RpcStatus.getStatus(invoker.getUrl(), invocation.getMethodName()).getActive(); // Active number
  19.         // 获取权重
  20.         int afterWarmup = getWeight(invoker, invocation); // Weight
  21.         // 发现更小的活跃数,重新开始
  22.         if (leastActive == -1 || active < leastActive) { // Restart, when find a invoker having smaller least active value.
  23.             // 使用当前活跃数 active 更新最小活跃数 leastActive
  24.             leastActive = active; // Record the current least active value
  25.             // 更新 leastCount 为 1
  26.             leastCount = 1; // Reset leastCount, count again based on current leastCount
  27.             // 记录当前下标值到 leastIndexs 中
  28.             leastIndexs[0] = i; // Reset
  29.             totalWeight = afterWarmup; // Reset
  30.             firstWeight = afterWarmup; // Record the weight the first invoker
  31.             sameWeight = true; // Reset, every invoker has the same weight value?
  32.         // 当前 Invoker 的活跃数 active 与最小活跃数 leastActive 相同
  33.         } else if (active == leastActive) { // If current invoker's active value equals with leaseActive, then accumulating.
  34.             // 在 leastIndexs 中记录下当前 Invoker 在 invokers 集合中的下标
  35.             leastIndexs[leastCount++] = i; // Record index number of this invoker
  36.             // 累加权重
  37.             totalWeight += afterWarmup; // Add this invoker's weight to totalWeight.
  38.             // If every invoker has the same weight?
  39.             // 检测当前 Invoker 的权重与 firstWeight 是否相等,
  40.             // 不相等则将 sameWeight 置为 false
  41.             if (sameWeight && i > 0
  42.                     && afterWarmup != firstWeight) {
  43.                 sameWeight = false;
  44.             }
  45.         }
  46.     }
  47.     // assert(leastCount > 0)
  48.     // 当只有一个 Invoker 具有最小活跃数,此时直接返回该 Invoker 即可
  49.     if (leastCount == 1) {
  50.         // If we got exactly one invoker having the least active value, return this invoker directly.
  51.         return invokers.get(leastIndexs[0]);
  52.     }
  53.     // 有多个 Invoker 具有相同的最小活跃数,但它们之间的权重不同
  54.     if (!sameWeight && totalWeight > 0) {
  55.         // If (not every invoker has the same weight & at least one invoker's weight>0), select randomly based on totalWeight.
  56.         // 随机生成一个 [0, totalWeight) 之间的数字
  57.         int offsetWeight = random.nextInt(totalWeight) + 1;
  58.         // Return a invoker based on the random value.
  59.         // 循环让随机数减去具有最小活跃数的 Invoker 的权重值,
  60.         // 当 offset 小于等于0时,返回相应的 Invoker
  61.         for (int i = 0; i < leastCount; i++) {
  62.             int leastIndex = leastIndexs[i];
  63.             // 获取权重值,并让随机数减去权重值
  64.             offsetWeight -= getWeight(invokers.get(leastIndex), invocation);
  65.             if (offsetWeight <= 0)
  66.                 return invokers.get(leastIndex);
  67.         }
  68.     }
  69.     // If all invokers have the same weight value or totalWeight=0, return evenly.
  70.     // 如果权重相同或权重为0时,随机返回一个 Invoker
  71.     return invokers.get(leastIndexs[random.nextInt(leastCount)]);
  72. }
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注释写的很详细了,和原理步骤差不多,源码中多个对长时间未更新 invoker 的处理。
ConsistentHashLoadBalance

一致性Hash算法。
其原理简单讲,就是假定有一个圆环,每个服务根据其 hash 值,在圆环上有个位置(如图的cache-1、cache-2等)。当有请求过来的,同样根据请求的 hash 值确定请求的位置,并根据请求的位置去获取最近的下一个服务的位置。如下图:

当请求落在 cache-2 和 cache-3 之间时,下一个最近的是 cache-3,如果 cache-3 服务不可用,那么最近的下个服务就是 cache-4
这时,又引入了一个资源倾斜的问题,那就是大量请求集中在同一个服务中。由于服务在圆环上分布不均,导致大部分请求都落在cache-2中,如下图:

那么该如何处理资源倾斜的问题?引入虚拟节点,就是一个服务有多个多个位置,这样就能使请求更均匀,如下图:

以上就是一致性hash算法的原理。下面讲讲Dubbo的源码
  1. @Activate(group = Constants.CONSUMER, value = Constants.ACTIVES_KEY)
  2. public class ActiveLimitFilter implements Filter
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doSelect 方法先从缓存获取 selector ,如果缓存没有,则创建并放入缓存。然后调用 selector.select 方法获取 invoker 。所以一致性 hash 的实现,在ConsistentHashSelector中。我们先看其构造方法
  1. <dubbo:service interface="com.alibaba.dubbo.demo.DemoService" ref="demoService" registry="remoteRegistry" actives="5" />
  2. <dubbo:reference id="demoService" interface="com.alibaba.dubbo.demo.DemoService" loadbalance="leastactive" actives="5" />
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ConsistentHashSelector的构造方法,主要是计算 invokers 的每一个 invoker 的hash,并将其放入 virtualInvokers 中。从这里可以看到,Dubbo默认的虚拟节点为160个。对比一致性 hash 算法中,virtualInvokers 就是 hash 环,invoker 就是节点。
我们继续看如何从 hash 环中找到最近的节点
  1. <dubbo:reference id="demoService" interface="com.alibaba.dubbo.demo.DemoService" filter="activelimit" />
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选择的过程也很简单,依赖的是 TreeMap 的 tailMap 方法。
总结

本文介绍了Dubbo内置的4中负载均衡实现。至此,Dubbo的集群容错的四个部分,也就是服务目录 Directory、服务路由 Router、集群 Cluster 和负载均衡 LoadBalance 都已全部讲完。
参考资料
Dubbo开发指南

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