从零手写实现 nginx-32-load balance 负载均衡算法 java 实现

前言

大家好，我是老马。很高兴遇到你。

我们为 java 开发者实现了 java 版本的 nginx

https://github.com/houbb/nginx4j

如果你想知道 servlet 如何处理的，可以参考我的另一个项目：

手写从零实现简易版 tomcat minicat

手写 nginx 系列

如果你对 nginx 原理感兴趣，可以阅读：

从零手写实现 nginx-01-为什么不能有 java 版本的 nginx?

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从零手写实现 nginx-25-nginx map 指令

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从零手写实现 nginx-30-nginx proxy_pass upstream 指令

从零手写实现 nginx-31-nginx load-balance 负载均衡

从零手写实现 nginx-32-nginx load-balance 算法 java 实现

nginx 支持哪几种负载均衡算法？

Nginx 支持以下几种主要的负载均衡算法：

1. 轮询（Round Robin）

   • 默认的负载均衡算法，请求依次分配给每个后端服务器。

2. 权重轮询（Weighted Round Robin）

   • 基于权重进行轮询，权重越高的服务器分配的请求越多。

3. 最少连接（Least Connections）

   • 新请求分配给当前活动连接数最少的服务器。

4. IP 哈希（IP Hash）

   • 根据客户端的 IP 地址分配请求，确保相同 IP 地址的请求分配到同一台服务器上。

5. 一致性哈希（Hash）

   • 根据用户定义的键（如 URL、cookie 等）分配请求，确保相同键的请求分配到同一台服务器上。

示例配置

1. 轮询（Round Robin）

upstream my_backend {server 192.168.0.1;server 192.168.0.2;server 192.168.0.3;
}server {listen 80;server_name www.example.com;location / {proxy_pass http://my_backend;}
}

2. 权重轮询（Weighted Round Robin）

upstream my_backend {server 192.168.0.1 weight=3;server 192.168.0.2 weight=2;server 192.168.0.3 weight=1;
}server {listen 80;server_name www.example.com;location / {proxy_pass http://my_backend;}
}

3. 最少连接（Least Connections）

upstream my_backend {least_conn;server 192.168.0.1;server 192.168.0.2;server 192.168.0.3;
}server {listen 80;server_name www.example.com;location / {proxy_pass http://my_backend;}
}

4. IP 哈希（IP Hash）

upstream my_backend {ip_hash;server 192.168.0.1;server 192.168.0.2;server 192.168.0.3;
}server {listen 80;server_name www.example.com;location / {proxy_pass http://my_backend;}
}

5. 一致性哈希（Hash）

upstream my_backend {hash $request_uri;server 192.168.0.1;server 192.168.0.2;server 192.168.0.3;
}server {listen 80;server_name www.example.com;location / {proxy_pass http://my_backend;}
}

总结

Nginx 支持多种负载均衡算法，包括轮询、权重轮询、最少连接、IP 哈希和一致性哈希。

每种算法适用于不同的场景，可以根据具体需求选择合适的算法来优化负载均衡策略。

java 实现

轮询算法（Round Robin）

import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class RoundRobinLoadBalancer {private List<String> servers;private AtomicInteger currentIndex;public RoundRobinLoadBalancer(List<String> servers) {this.servers = servers;this.currentIndex = new AtomicInteger(0);}public String getNextServer() {int index = currentIndex.getAndUpdate(i -> (i + 1) % servers.size());return servers.get(index);}public static void main(String[] args) {List<String> servers = List.of("192.168.0.1", "192.168.0.2", "192.168.0.3");RoundRobinLoadBalancer loadBalancer = new RoundRobinLoadBalancer(servers);// 模拟10次请求for (int i = 0; i < 10; i++) {String server = loadBalancer.getNextServer();System.out.println("Redirecting request to: " + server);}}
}

java 如何实现权重轮询算法？

实现权重轮询算法（Weighted Round Robin）可以根据每个服务器的权重来分配请求，权重越高的服务器接收的请求越多。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;class Server {String ip;int weight;Server(String ip, int weight) {this.ip = ip;this.weight = weight;}
}public class WeightedRoundRobinLoadBalancer {private List<Server> servers;private List<String> weightedServerList;private int currentIndex;public WeightedRoundRobinLoadBalancer(List<Server> servers) {this.servers = servers;this.weightedServerList = new ArrayList<>();this.currentIndex = 0;// 根据服务器的权重初始化加权后的服务器列表for (Server server : servers) {for (int i = 0; i < server.weight; i++) {weightedServerList.add(server.ip);}}}public String getNextServer() {if (weightedServerList.isEmpty()) {throw new IllegalStateException("No servers available");}String server = weightedServerList.get(currentIndex);currentIndex = (currentIndex + 1) % weightedServerList.size();return server;}public static void main(String[] args) {List<Server> servers = List.of(new Server("192.168.0.1", 3), // 权重为3new Server("192.168.0.2", 2), // 权重为2new Server("192.168.0.3", 1)  // 权重为1);WeightedRoundRobinLoadBalancer loadBalancer = new WeightedRoundRobinLoadBalancer(servers);// 模拟10次请求for (int i = 0; i < 10; i++) {String server = loadBalancer.getNextServer();System.out.println("Redirecting request to: " + server);}}
}

java 如何实现最少连接算法？具体实现

最少连接算法（Least Connections）是一种负载均衡算法，它将请求分配给当前活动连接数最少的服务器。

在 Java 中实现这个算法，需要跟踪每个服务器的当前连接数，并在每次请求时选择连接数最少的服务器。

import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;class Server {String ip;AtomicInteger activeConnections;Server(String ip) {this.ip = ip;this.activeConnections = new AtomicInteger(0);}
}public class LeastConnectionsLoadBalancer {private List<Server> servers;public LeastConnectionsLoadBalancer(List<Server> servers) {this.servers = servers;}public Server getNextServer() {if (servers.isEmpty()) {throw new IllegalStateException("No servers available");}Server leastConnectedServer = servers.get(0);for (Server server : servers) {if (server.activeConnections.get() < leastConnectedServer.activeConnections.get()) {leastConnectedServer = server;}}leastConnectedServer.activeConnections.incrementAndGet();return leastConnectedServer;}public void releaseConnection(Server server) {server.activeConnections.decrementAndGet();}public static void main(String[] args) {List<Server> servers = List.of(new Server("192.168.0.1"),new Server("192.168.0.2"),new Server("192.168.0.3"));LeastConnectionsLoadBalancer loadBalancer = new LeastConnectionsLoadBalancer(servers);// 模拟10次请求for (int i = 0; i < 10; i++) {Server server = loadBalancer.getNextServer();System.out.println("Redirecting request to: " + server.ip);// 模拟处理完成后释放连接loadBalancer.releaseConnection(server);}}
}

java 如何实现 IP 哈希算法？具体实现

IP 哈希算法（IP Hash）是一种负载均衡算法，它根据客户端的 IP 地址分配请求，确保同一 IP 地址的请求始终分配到同一台服务器。

这样可以实现会话保持（session persistence）。

import java.util.List;
import java.util.Objects;class Server {String ip;Server(String ip) {this.ip = ip;}
}public class IPHashLoadBalancer {private List<Server> servers;public IPHashLoadBalancer(List<Server> servers) {this.servers = servers;}public Server getServer(String clientIP) {if (servers.isEmpty()) {throw new IllegalStateException("No servers available");}int hash = Math.abs(Objects.hash(clientIP));int serverIndex = hash % servers.size();return servers.get(serverIndex);}public static void main(String[] args) {List<Server> servers = List.of(new Server("192.168.0.1"),new Server("192.168.0.2"),new Server("192.168.0.3"));IPHashLoadBalancer loadBalancer = new IPHashLoadBalancer(servers);// 模拟请求String[] clientIPs = {"192.168.1.10", "192.168.1.20", "192.168.1.30","192.168.1.40", "192.168.1.50", "192.168.1.60"};for (String clientIP : clientIPs) {Server server = loadBalancer.getServer(clientIP);System.out.println("Client IP: " + clientIP + " is routed to server: " + server.ip);}}
}

java 如何实现一致性哈希算法

一致性哈希算法是一种常见的负载均衡算法，可以实现请求在服务器间的均匀分布，并且在增加或减少服务器时只影响少量请求的映射。

下面是一个基于 Java 的一致性哈希算法的实现。

import java.util.SortedMap;
import java.util.TreeMap;class Server {String ip;Server(String ip) {this.ip = ip;}@Overridepublic String toString() {return ip;}
}public class ConsistentHashingLoadBalancer {private final SortedMap<Integer, Server> circle = new TreeMap<>();private final int numberOfReplicas;public ConsistentHashingLoadBalancer(List<Server> servers, int numberOfReplicas) {this.numberOfReplicas = numberOfReplicas;for (Server server : servers) {add(server);}}private void add(Server server) {for (int i = 0; i < numberOfReplicas; i++) {int hash = hash(server.ip + i);circle.put(hash, server);}}public void remove(Server server) {for (int i = 0; i < numberOfReplicas; i++) {int hash = hash(server.ip + i);circle.remove(hash);}}public Server getServer(String key) {if (circle.isEmpty()) {return null;}int hash = hash(key);if (!circle.containsKey(hash)) {SortedMap<Integer, Server> tailMap = circle.tailMap(hash);hash = tailMap.isEmpty() ? circle.firstKey() : tailMap.firstKey();}return circle.get(hash);}private int hash(String key) {return key.hashCode() & 0x7fffffff; // 保证正数}public static void main(String[] args) {List<Server> servers = List.of(new Server("192.168.0.1"),new Server("192.168.0.2"),new Server("192.168.0.3"));ConsistentHashingLoadBalancer loadBalancer = new ConsistentHashingLoadBalancer(servers, 3);// 模拟请求String[] clientKeys = {"client1", "client2", "client3","client4", "client5", "client6"};for (String key : clientKeys) {Server server = loadBalancer.getServer(key);System.out.println("Client key: " + key + " is routed to server: " + server);}// 增加一个服务器System.out.println("\nAdding a new server 192.168.0.4\n");loadBalancer.add(new Server("192.168.0.4"));for (String key : clientKeys) {Server server = loadBalancer.getServer(key);System.out.println("Client key: " + key + " is routed to server: " + server);}// 移除一个服务器System.out.println("\nRemoving a server 192.168.0.2\n");loadBalancer.remove(new Server("192.168.0.2"));for (String key : clientKeys) {Server server = loadBalancer.getServer(key);System.out.println("Client key: " + key + " is routed to server: " + server);}}
}