负载均衡是分布式系统中的关键技术，用于将请求均匀地分配到多个服务器上，以确保系统的高效运行和稳定性，本文将从负载均衡源码角度解读其使用姿势，包括无状态和有状态负载均衡算法的原理及实现，以及如何在gRPC中自定义和使用负载均衡器。
一、负载均衡原理与关键概念
负载均衡的主要目的是将请求均匀地分配到多个服务器实例上，避免某些服务器过载而其他服务器闲置的情况，其核心在于公平性和正确性：
1、公平性：确保请求在各个服务器之间均匀分布，避免“旱的旱死，涝的涝死”的现象。
2、正确性：对于有状态的服务，需要将请求调度到能够处理它的后端实例上，避免错误处理。
二、无状态负载均衡算法
无状态负载均衡算法适用于所有后端实例都是对等的场景，即无论请求发向哪个实例，都会得到相同的处理结果，常见的无状态负载均衡算法包括轮询和权重轮询。
1. 轮询（Round Robin）
原理：将请求按顺序依次分配给每个实例，循环进行，第一个请求分配给第一个实例，第二个请求分配给第二个实例，以此类推。
适用场景：适用于请求的工作负载和实例的处理能力差异较小的情况。
公平性：由于按顺序分配请求，公平性较好。
正确性：不利用请求的状态信息，属于无状态策略，不能用于有状态实例的负载均衡器。
2. 权重轮询（Weighted Round Robin）
原理：为每个后端实例分配一个权重，分配请求的数量与实例的权重成正比，实例A的权重为20，实例B的权重为80，则20%的请求分配给A，80%的请求分配给B。
适用场景：适用于实例处理能力差异较大的情况，可以通过权重调整来平衡负载。
公平性：由于按权重比例分配请求，可以解决实例处理能力差异的问题，公平性较好。
正确性：同样属于无状态策略，不能用于有状态实例的负载均衡器。
三、有状态负载均衡算法
有状态负载均衡算法会在负载均衡策略中保存服务端的一些状态，然后根据这些状态选择出对应的实例，常见的有状态负载均衡算法包括P2C+EWMA。
P2C+EWMA算法
原理：随机从所有可用节点中选择两个节点，计算这两个节点的负载情况，选择负载较低的一个节点来服务本次请求，为了避免某些节点一直得不到选择导致不平衡，会在超过一定时间后强制选择一次，采用EWMA（指数移动加权平均）算法来计算一段时间内的均值，对于突然的网络抖动不敏感。
实现细节：
节点负载计算：通过连接的请求延迟lag和当前请求数inflight的乘积来计算节点的load值，如果请求延迟越大或当前正在处理的请求数越多，表明该节点的负载越高。
EWMA算法：使用时间衰减值w来计算lag和success的加权平均值，使得算法更加均衡，系数w是一个时间衰减值，两次请求的间隔越大，则系数w越小。
代码示例：
func (c *subConn) load() int64 {
lag := int64(math.Sqrt(float64(atomic.LoadUint64(&c.lag) + 1)))
load := lag * (atomic.LoadInt64(&c.inflight) + 1)
if load == 0 {
return penalty
}
return load
}
四、gRPC中的负载均衡器注册与使用
在gRPC中，负载均衡器（Balancer）和解析器（Resolver）一样，可以通过自定义和注册的方式来使用，下面介绍如何在gRPC中注册和使用自定义负载均衡器。
1. 注册自定义负载均衡器
Builder接口：要实现自定义的负载均衡器，必须实现balancer.Builder接口，该接口包含一个Build方法，用于构建具体的负载均衡器。
Picker接口：在Builder接口的Build方法中，会返回一个实现了balancer.Picker接口的对象。Picker接口定义了如何从一组子连接中选择一个最佳的连接。
代码示例：
type p2cBuilder struct{}
func (b *p2cBuilder) Build(cc balancer.ClientConn, opt balancer.BuildOptions) balancer.Balancer {
return &p2cBalancer{cc: cc}
}
func (b *p2cBuilder) Name() string {
return "p2c"
}
2. 获取已注册的负载均衡器
配置项传入：在创建gRPC客户端时，通过配置项传入负载均衡器的名称，从而获取对应的负载均衡器。
代码示例：
import (
"google.golang.org/grpc"
"google.golang.org/grpc/balancer"
"google.golang.org/grpc/balancer/base"
"google.golang.org/grpc/resolver"
)
func main() {
conn, err := grpc.Dial("example.com:12345", grpc.WithInsecure(), grpc.WithBalancerName("p2c"))
if err != nil {
log.Fatalf("did not connect: %v", err)
}
defer conn.Close()
}
五、相关问题与解答
问题1：为什么无状态负载均衡算法不能用于有状态服务？
答：无状态负载均衡算法（如轮询和权重轮询）不利用请求的状态信息，因此无法保证请求被调度到能够处理它的后端实例上，对于有状态服务，需要根据请求的状态选择合适的实例，否则可能导致请求无法正确处理。
问题2：如何在gRPC中实现自定义的负载均衡器？
答：在gRPC中实现自定义的负载均衡器需要完成以下几个步骤：
1、实现balancer.Builder接口，定义如何构建负载均衡器。
2、实现balancer.Picker接口，定义如何选择最佳的子连接。
3、使用balancer.Register函数注册自定义的负载均衡器。
4、在创建gRPC客户端时，通过配置项传入负载均衡器的名称来使用自定义的负载均衡器。
小伙伴们，上文介绍了“负载均衡源码角度解读使用姿势”的内容，你了解清楚吗？希望对你有所帮助，任何问题可以给我留言，让我们下期再见吧。
