Go：自適應負載均衡算法原理和實現

背景

在選擇負載均衡算法時，我們希望滿足以下要求：

具備分區和機房調度親和性

每次選擇的節點儘量是負載最低的
每次儘可能選擇響應最快的節點

無需人工干預故障節點

當一個節點有故障時，負載均衡算法可以自動隔離該節點
當故障節點恢復時，能夠自動恢復對該節點的流量分發

基於這些考慮，go-zero 選擇了 p2c+EWMA 算法來實現。

算法的核心思想

p2c

p2c (Pick Of 2 Choices) 二選一: 在多個節點中隨機選擇兩個節點。

go-zero 中的會隨機的選擇 3 次，如果其中一次選擇的節點的健康條件滿足要求，就中斷選擇，採用這兩個節點。

EWMA

EWMA (Exponentially Weighted Moving-Average) 指數移動加權平均法: 是指各數值的加權係數隨時間呈指數遞減，越靠近當前時刻的數值加權係數就越大，體現了最近一段時間內的平均值。

公式:

EWMA 公式
變量解釋:
Vt: 代表的是第 t 次請求的 EWMA值
Vt-1: 代表的是第 t-1 次請求的 EWMA值
β: 是一個常量

EWMA 算法的優勢

相較於普通的計算平均值算法，EWMA 不需要保存過去所有的數值，計算量顯著減少，同時也減小了存儲資源。
傳統的計算平均值算法對網絡耗時不敏感, 而 EWMA 可以通過請求頻繁來調節 β，進而迅速監控到網絡毛刺或更多的體現整體平均值。

當請求較爲頻繁時, 說明節點網絡負載升高了, 我們想監測到此時節點處理請求的耗時 (側面反映了節點的負載情況), 我們就相應的調小β。β越小，EWMA值 就越接近本次耗時，進而迅速監測到網絡毛刺;
當請求較爲不頻繁時, 我們就相對的調大β值。這樣計算出來的 EWMA值 越接近平均值

β計算

go-zero 採用的是牛頓冷卻定律中的衰減函數模型計算 EWMA 算法中的 β 值:

牛頓冷卻定律中的衰減函數

其中 Δt 爲兩次請求的間隔，e，k 爲常數

gRPC 中實現自定義負載均衡器

首先我們需要實現 google.golang.org/grpc/balancer/base/base.go/PickerBuilder 接口, 這個接口是有服務節點更新的時候會調用接口裏的Build方法

type PickerBuilder interface {
    // Build returns a picker that will be used by gRPC to pick a SubConn.
    Build(info PickerBuildInfo) balancer.Picker
}

還要實現 google.golang.org/grpc/balancer/balancer.go/Picker 接口。這個接口主要實現負載均衡，挑選一個節點供請求使用
```
type Picker interface {
  Pick(info PickInfo) (PickResult, error)
}
```
最後向負載均衡 map 中註冊我們實現的負載均衡器

go-zero 實現負載均衡的主要邏輯

在每次節點更新，gRPC 會調用 Build 方法，此時在 Build 裏實現保存所有的節點信息。
gRPC 在獲取節點處理請求時，會調用 Pick 方法以獲取節點。go-zero 在 Pick 方法裏實現了 p2c 算法，挑選節點，並通過節點的 EWMA值 計算負載情況，返回負載低的節點供 gRPC 使用。
在請求結束的時候 gRPC 會調用 PickResult.Done 方法，go-zero 在這個方法裏實現了本次請求耗時等信息的存儲，並計算出了 EWMA值 保存了起來，供下次請求時計算負載等情況的使用。

負載均衡代碼分析

保存服務的所有節點信息

我們需要保存節點處理本次請求的耗時、EWMA 等信息，go-zero 給每個節點設計瞭如下結構：

type subConn struct {
    addr     resolver.Address
    conn     balancer.SubConn
    lag      uint64 // 用來保存 ewma 值
    inflight int64  // 用在保存當前節點正在處理的請求總數
    success  uint64 // 用來標識一段時間內此連接的健康狀態
    requests int64  // 用來保存請求總數
    last     int64  // 用來保存上一次請求耗時, 用於計算 ewma 值
    pick     int64  // 保存上一次被選中的時間點
}

p2cPicker 實現了 balancer.Picker 接口，conns 保存了服務的所有節點信息

type p2cPicker struct {
  conns []*subConn  // 保存所有節點的信息 
  r     *rand.Rand
  stamp *syncx.AtomicDuration
  lock  sync.Mutex
}

gRPC 在節點有更新的時候會調用 Build 方法，傳入所有節點信息，我們在這裏把每個節點信息用 subConn 結構保存起來。並歸併到一起用 p2cPicker 結構保存起來

func (b *p2cPickerBuilder) Build(info base.PickerBuildInfo) balancer.Picker {
  ......
  var conns []*subConn
  for conn, connInfo := range readySCs {
    conns = append(conns, &subConn{
      addr:    connInfo.Address,
      conn:    conn,
      success: initSuccess,
    })
  }
  return &p2cPicker{
    conns: conns,
    r:     rand.New(rand.NewSource(time.Now().UnixNano())),
    stamp: syncx.NewAtomicDuration(),
  }
}

隨機挑選節點信息，在這裏分了三種情況:

主要實現代碼如下：

switch len(p.conns) {
  case 0: // 沒有節點，返回錯誤
    return emptyPickResult, balancer.ErrNoSubConnAvailable
  case 1: // 有一個節點，直接返回這個節點
    chosen = p.choose(p.conns[0], nil)
  case 2: // 有兩個節點，計算負載，返回負載低的節點
    chosen = p.choose(p.conns[0], p.conns[1])
  default: // 有多個節點，p2c 挑選兩個節點，比較這兩個節點的負載，返回負載低的節點
    var node1, node2 *subConn
    // 3次隨機選擇兩個節點
    for i := 0; i < pickTimes; i++ {
      a := p.r.Intn(len(p.conns))
      b := p.r.Intn(len(p.conns) - 1)
      if b >= a {
        b++
      }
      node1 = p.conns[a]
      node2 = p.conns[b]
      // 如果這次選擇的節點達到了健康要求, 就中斷選擇
      if node1.healthy() && node2.healthy() {
        break
      }
    }
    // 比較兩個節點的負載情況，選擇負載低的
    chosen = p.choose(node1, node2)
  }

只有一個服務節點，此時直接返回供 gRPC 使用即可
有兩個服務節點，通過 EWMA值 計算負載，並返回負載低的節點返回供 gRPC 使用
有多個服務節點，此時通過 p2c 算法選出兩個節點，比較負載情況，返回負載低的節點供 gRPC 使用

load計算節點的負載情況

上面的 choose 方法會調用 load 方法來計算節點負載。

計算負載的公式是: load = ewma * inflight

在這裏簡單解釋下：ewma 相當於平均請求耗時，inflight 是當前節點正在處理請求的數量，相乘大致計算出了當前節點的網絡負載。

func (c *subConn) load() int64 {
  // 通過 EWMA 計算節點的負載情況； 加 1 是爲了避免爲 0 的情況
  lag := int64(math.Sqrt(float64(atomic.LoadUint64(&c.lag) + 1)))
  load := lag * (atomic.LoadInt64(&c.inflight) + 1)
  if load == 0 {
    return penalty
  }
  return load
}

請求結束，更新節點的 EWMA 等信息

func (p *p2cPicker) buildDoneFunc(c *subConn) func(info balancer.DoneInfo) {
  start := int64(timex.Now())
  return func(info balancer.DoneInfo) {
    // 正在處理的請求數減 1
    atomic.AddInt64(&c.inflight, -1)
    now := timex.Now()
    // 保存本次請求結束時的時間點，並取出上次請求時的時間點
    last := atomic.SwapInt64(&c.last, int64(now))
    td := int64(now) - last
    if td < 0 {
      td = 0
    }
    // 用牛頓冷卻定律中的衰減函數模型計算EWMA算法中的β值
    w := math.Exp(float64(-td) / float64(decayTime))
    // 保存本次請求的耗時
    lag := int64(now) - start
    if lag < 0 {
      lag = 0
    }
    olag := atomic.LoadUint64(&c.lag)
    if olag == 0 {
      w = 0
    }
    // 計算 EWMA 值
    atomic.StoreUint64(&c.lag, uint64(float64(olag)*w+float64(lag)*(1-w)))
    success := initSuccess
    if info.Err != nil && !codes.Acceptable(info.Err) {
      success = 0
    }
    osucc := atomic.LoadUint64(&c.success)
    atomic.StoreUint64(&c.success, uint64(float64(osucc)*w+float64(success)*(1-w)))
    
    stamp := p.stamp.Load()
    if now-stamp >= logInterval {
      if p.stamp.CompareAndSwap(stamp, now) {
        p.logStats()
      }
    }
  }
}

把節點正在處理請求的總數減 1
保存處理請求結束的時間點，用於計算距離上次節點處理請求的差值，並算出 EWMA 中的 β值
計算本次請求耗時，並計算出 EWMA值 保存到節點的 lag 屬性裏
計算節點的健康狀態保存到節點的 success 屬性中

我是 polarisxu，北大碩士畢業，曾在 360 等知名互聯網公司工作，10 多年技術研發與架構經驗！2012 年接觸 Go 語言並創建了 Go 語言中文網！著有《Go 語言編程之旅》、開源圖書《Go 語言標準庫》等。

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