Java 上級: 5 つの負荷分散アルゴリズムの実装原理を深く理解する

序文

負荷分散とは何ですか?

複数のサーバーを対称的に構成したサーバーセットを指します。各サーバーは同等の地位を持ち、他のサーバーの支援なしに独立して外部にサービスを提供できます。何らかの負荷分散技術により、外部から送信されたリクエストは対称構造のサーバーに均等に分散され、リクエストを受信したサーバーはクライアントのリクエストに独立して応答します。負荷分散により、クライアント要求をサーバーアレイに均等に分散できるため、重要なデータへの高速アクセスが可能になり、多数の同時アクセスサービスの問題が解決されます。このクラスターテクノロジにより、最小限の投資で大規模なメインフレームに近いパフォーマンスを実現できます。

今日は以下のことについてお話します。

1. 負荷分散アルゴリズムの概要

1. 投票方法

実際の接続数やサーバーの現在のシステム負荷に関係なく、各バックエンドサーバーを平等に扱い、リクエストをバックエンドサーバーに順番に分散します。

2. ランダム法

システムのランダムアルゴリズムにより、バックエンドサーバーのリストサイズ値に基づいて、アクセスするサーバーの 1 つがランダムに選択されます。確率統計理論によれば、クライアントがサーバーを呼び出す回数が増えるにつれて、実際の効果は、各バックエンドサーバーへの呼び出し量を均等に分散すること、つまりポーリングの結果にどんどん近づいていきます。

3. 送信元アドレスのハッシュ

ソースアドレスハッシュの考え方は、クライアントの IP アドレスを取得し、ハッシュ関数を通じて値を計算することです。この値は、サーバーリストのサイズに対してモジュロ演算を実行するために使用されます。結果は、クライアントがアクセスするサーバーのシリアル番号です。負荷分散には送信元アドレスハッシュを使用します。同じ IP アドレスを持つクライアントの場合、バックエンドサーバーリストが変更されなければ、アクセスするたびに同じバックエンドサーバーにマップされます。

4. 加重ラウンドロビン

バックエンドサーバーによってマシン構成や現在のシステム負荷が異なる場合があり、そのためストレス耐性も異なります。構成が高く負荷が低いマシンに高い重みを割り当てて、より多くのリクエストを処理できるようにします。構成が低く負荷が高いマシンに低い重みを割り当てて、システム負荷を軽減します。重み付けポーリングはこの問題を適切に処理し、重みに従って順番にバックエンドにリクエストを分散します。

5. 加重ランダム法

加重ラウンドロビン方式と同様に、加重ランダム方式でも、バックエンドマシンの構成とシステムの負荷に基づいて異なる重みが割り当てられます。違いは、順番にではなく、重みに応じてバックエンドサーバーをランダムに要求することです。

2. 5つの負荷分散アルゴリズムを実装するコード

1. 投票方法

java.util.*をインポートします。
 java.util.concurrent.ConcurrentHashMapをインポートします。
パブリッククラスTestRoundRobin{
 // 1. マップ、キー IP、値の重みを定義する
静的Map<String,Integer> ipMap = new HashMap<>();
静的{
        ipMap.put( "192.168.13.1" , 1 );
        ipMap.put( "192.168.13.2" , 1 );
        ipMap.put( "192.168.13.3" , 1 );
    }
 // 整数合計=0;
    整数 pos = 0 ;
パブリック文字列ラウンドロビン(){
        Map<String,Integer> ipServerMap =新しいConcurrentHashMap<>();
        ipServerMap.putAll(ipMap);
 // 2. キーを取り出してセットに入れる
        Set<String> ipset=ipServerMap.keySet();
 // 3.set をリストに入れ、リストをループして取り出します
        ArrayList<String> iplist =新しいArrayList<String>();
        iplist.addAll(ipset);
        文字列 serverName = null ;
 // 4. ループ値を定義し、設定より大きい場合は 0 から開始します
同期（正）{
 （pos>=ipset.size()）の場合{
                位置 = 0 ;
            }
            serverName=iplist.get(pos);
 // 投票 +1
            位置++;
        }
 serverNameを返します。
    }
パブリック静的voidメイン(String[] args) {
        テストラウンドロビン testRoundRobin =新しいTestRoundRobin();
 ( int i = 0 ; i < 10 ; i++) {
            文字列 serverIp=testRoundRobin.RoundRobin();
            System.out.println(サーバーIP);
        }
    }
 }

2. 加重ラウンドロビン

java.util.*をインポートします。
 java.util.concurrent.ConcurrentHashMapをインポートします。
パブリッククラスTestWeightRobin {
 // 1.map、キー-IP、値の重み
静的Map<String,Integer> ipMap = new HashMap<>();
静的{
        ipMap.put( "192.168.13.1" , 1 );
        ipMap.put( "192.168.13.2" , 2 );
        ipMap.put( "192.168.13.3" , 4 );
    }
    整数 pos = 0 ;
パブリック文字列WeightRobin(){
        Map<String,Integer> ipServerMap =新しいConcurrentHashMap<>();
        ipServerMap.putAll(ipMap);
        Set<String> ipSet=ipServerMap.keySet();
        イテレータ<文字列> ipIterator=ipSet.iterator();
 //すべてのサーバーを配置するリストを定義する
        ArrayList<String> ipArrayList =新しいArrayList<String>();
 // セットをループし、セット内の値を使用してマップ内の値を取得し、対応する数のサーバーをリストに追加します。
 (ipIterator.hasNext())の間{
            文字列 serverName=ipIterator.next();
            整数の重み=ipServerMap.get(serverName);
 ( int i = 0 ; i < 重み ; i++){
                ipArrayList.add(サーバー名);
            }
        }
        文字列 serverName = null ;
 if (pos>=ipArrayList.size()){
            位置 = 0 ;
        }
        serverName=ipArrayList.get(pos);
 // 投票 +1
        位置++;
 serverNameを返します。
    }
パブリック静的voidメイン(String[] args) {
        テストウェイトロビン testWeightRobin =新しいTestWeightRobin();
 ( int i = 0 ; i< 10 ; i++){
            文字列 server=testWeightRobin.WeightRobin();
            System.out.println(サーバー);
        }
    }
 }

3. ランダム法

java.util.*をインポートします。
 java.util.concurrent.ConcurrentHashMapをインポートします。
パブリッククラスTestRandom{
 // 1. マップ、キー IP、値の重みを定義する
静的Map<String,Integer> ipMap = new HashMap<>();
静的{
        ipMap.put( "192.168.13.1" , 1 );
        ipMap.put( "192.168.13.2" , 2 );
        ipMap.put( "192.168.13.3" , 4 );
    }
パブリック文字列ランダム() {
        Map<String,Integer> ipServerMap =新しいConcurrentHashMap<>();
        ipServerMap.putAll(ipMap);
        Set<String> ipSet=ipServerMap.keySet();
 //すべてのサーバーを配置するリストを定義する
        ArrayList<String> ipArrayList =新しいArrayList<String>();
        ipArrayList.addAll(ipSet);
 // 乱数をループする
        ランダム random = new Random();
 // リストの数量（1-list.size）から乱数が取得されます
int pos=random.nextInt(ipArrayList.size());
        文字列 serverNameReturn = ipArrayList.get(pos);
 serverNameReturnを返します。
    }
パブリック静的voidメイン(String[] args) {
        テストランダム testRandom =新しいテストランダム();
 ( int i = 0 ; i< 10 ; i++){
            文字列 server=testRandom.Random();
            System.out.println(サーバー);
        }
    }
 }

4. 加重ランダム

java.util.*をインポートします。
 java.util.concurrent.ConcurrentHashMapをインポートします。
パブリッククラスTestRobinRandom{
 // 1. マップ、キー IP、値の重みを定義する
静的Map<String,Integer> ipMap = new HashMap<>();
静的{
        ipMap.put( "192.168.13.1" , 1 );
        ipMap.put( "192.168.13.2" , 2 );
        ipMap.put( "192.168.13.3" , 4 );
    }
パブリック文字列RobinRandom(){
        Map<String,Integer> ipServerMap =新しいConcurrentHashMap<>();
        ipServerMap.putAll(ipMap);
        Set<String> ipSet=ipServerMap.keySet();
        イテレータ<文字列> ipIterator=ipSet.iterator();
 //すべてのサーバーを配置するリストを定義する
        ArrayList<String> ipArrayList =新しいArrayList<String>();
 // セットをループし、セット内の値を使用してマップ内の値を取得し、対応する数のサーバーをリストに追加します。
 (ipIterator.hasNext())の間{
            文字列 serverName=ipIterator.next();
            整数の重み=ipServerMap.get(serverName);
 ( int i = 0 ;i<weight;i ++ ){
                ipArrayList.add(サーバー名);
            }
        }
 // 乱数をループする
        ランダム random = new Random();
 // リストの数量（1-list.size）から乱数が取得されます
int pos=random.nextInt(ipArrayList.size());
        文字列 serverNameReturn = ipArrayList.get(pos);
 serverNameReturnを返します。
    }
パブリック静的voidメイン(String[] args) {
        TestRobinRandom testRobinRandom =新しいTestRobinRandom();
 ( int i = 0 ; i< 10 ; i++){
            文字列 server=testRobinRandom.RobinRandom();
            System.out.println(サーバー);
        }
    }
 }

5. 送信元アドレスのハッシュ

java.util.ArrayListをインポートします。
 java.util.HashMapをインポートします。
 java.util.Mapをインポートします。
 java.util.Setをインポートします。
 java.util.concurrent.ConcurrentHashMapをインポートします。
パブリッククラスipHash{
 // 1. マップ、キー IP、値の重みを定義する
静的Map<String,Integer> ipMap = new HashMap<>();
静的{
        ipMap.put( "192.168.13.1" , 1 );
        ipMap.put( "192.168.13.2" , 2 );
        ipMap.put( "192.168.13.3" , 4 );
    }
パブリック文字列ipHash(文字列クライアントIP){
        Map<String,Integer> ipServerMap =新しいConcurrentHashMap<>();
        ipServerMap.putAll(ipMap);
 // 2. キーを取り出してセットに入れる
        Set<String> ipset=ipServerMap.keySet();
 // 3.set をリストに入れ、リストをループして取り出します
        ArrayList<String> iplist =新しいArrayList<String>();
        iplist.addAll(ipset);
 // IPのハッシュコード値の残りを取得します。これは毎回同じです
intハッシュコード = クライアントIP.ハッシュコード();
 int serverListsize=iplist.size();
 int pos=ハッシュコード%サーバーリストサイズ;
 iplist.get(pos);を返します。
    }
パブリック静的voidメイン(String[] args) {
        ipHash iphash =新しいipHash();
        文字列サーバー名 = iphash.ipHash( "192.168.21.2" );
        System.out.println(サーバー名);
    }
 }