一、负载均衡原理

二、Ribbon 原理及使用

三、Loadbalancer 原理及使用

负载均衡器Ribbon在微服务领域是很常用的服务调用、负载均衡的中间件,其面包含Loadbalancer专门负载负载均衡；比如Eureka、Fegin,Nacos的注册中心jar包里面均包含Ribbon相关的jar,如图显示nacos

今天我们详细分析一下其原理和实战内容。

一、负载均衡原理

负载均衡（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FTP服务器、Web服务器、企业核心应用服务器和其它主要任务服务器等，从而协同完成工作任务。目前主流的负载均衡方案分为以下两种：
集中式负载均衡，在消费者和服务提供方中间使用独立的代理方式进行负载，有硬件的（比如F5），也有软件的（比如 Nginx）；客户端根据自己的请求情况做负载均衡，Ribbon 就属于客户端自己做负载均衡。

1、客户端负载均衡

比如spring cloud中的ribbon，客户端会有一个服务器地址列表，在发送请求前通过负载均衡算法选择一个服务器，然后进行访问，这是客户端负载均衡；即在客户端就进行负载均衡算法分配，eureka 为注册中心为例，如下：

2、服务端负载均衡

例如Nginx，通过Nginx进行负载均衡，先发送请求，然后通过负载均衡算法，在多个服务器之间选择一个进行访问；即在服务器端再进行负载均衡算法分配。

3、常见负载均衡算法

3.1、随机:通过随机选择服务进行执行，一般这种方式使用较少;
3.2、轮训:负载均衡默认实现方式，请求来之后排队处理;
3.3、加权轮训:通过对服务器性能的分型，给高配置，低负载的服务器分配更高的权重，均衡各个服务器的压力;
3.4、地址hash:通过客户端请求的地址的hash值取模映射进行服务器调度。
3.5、最小连接数:即使请求均衡了，压力不一定会均衡，最小连接数法就是根据服务器的情况，比如请求积压数等参数，将请求分配到当前压力最小的服务器上。

二、Ribbon 原理及使用

Spring Cloud Ribbon是基于Netflix Ribbon 实现的一套客户端的负载均衡工具，Ribbon客户端组件提供一系列的完善的配置，如超时，重试等。通过Load Balancer获取到服务提供的所有机器实例，Ribbon会自动基于某种规则(轮询，随机)去调用这些服务。Ribbon也可以实现自己的负载均衡算法。

1、Spring Cloud Alibaba整合Ribbon

上篇文章有详解

2、Ribbon 内核原理

2.1、模拟Ribbon 伪代码实现


import com.nandao.common.utils.R;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.cloud.client.ServiceInstance;
import org.springframework.cloud.client.discovery.DiscoveryClient;
import org.springframework.web.bind.annotation.*;
import org.springframework.web.client.RestTemplate;

import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @author nandao
 */
@RestController
@RequestMapping("/user")
public class UserController {

    @Autowired
    private RestTemplate restTemplate;

    @RequestMapping(value = "/findOrderByUserId/{id}")
    public R  findOrderByUserId(@PathVariable("id") Integer id) {
        // restTemplate调用,url写死
        //String url = "http://localhost:8020/order/findOrderByUserId/"+id;
        //模拟ribbon实现
        String url = getUri("mall-order")+"/order/findOrderByUserId/"+id;
        // ribbon实现，restTemplate需要添加@LoadBalanced注解
     //   String url = "http://mall-order/order/findOrderByUserId/"+id;
        R result = restTemplate.getForObject(url,R.class);
        return result;
    }

    @Autowired
    private DiscoveryClient discoveryClient;//cloud客户端实现

    public String getUri(String serviceName) {
        // 获取服务的实例
        List<ServiceInstance> serviceInstances = discoveryClient.getInstances(serviceName);
        if (serviceInstances == null || serviceInstances.isEmpty()) {
            return null;
        }
        int serviceSize = serviceInstances.size();
        //轮询
        int indexServer = incrementAndGetModulo(serviceSize);
        return serviceInstances.get(indexServer).getUri().toString();
    }

    private AtomicInteger nextIndex = new AtomicInteger(0);

    private int incrementAndGetModulo(int modulo) {
        for (;;) {
            int current = nextIndex.get();
            int next = (current + 1) % modulo;
            if (nextIndex.compareAndSet(current, next) && current < modulo){
                return current;
            }
        }
    }
}

2.2、@Loadbalanced原理

@LoadBalanced使用了@Qualifier，spring中@Qualifier用于筛选限定注入Bean。
@LoadBalanced利用@Qualifier作为restTemplates注入的筛选条件，筛选出具有负载均衡标识的RestTemplate。

被@LoadBalanced注解的restTemplate会被定制，添加LoadBalancerInterceptor拦截
器。

注意： SmartInitializingSingleton是在所有的bean都实例化完成之后才会调用的，所以在
bean的实例化期间使用@LoadBalanced修饰的restTemplate是不具备负载均衡作用的，比如使用@PostConstruct 注解下的接口远程调用就不具备负载均衡作用，报错找不到服务。

如果不使用@LoadBalanced注解，也可以通过添加LoadBalancerInterceptor拦截器让
restTemplate起到负载均衡器的作用。

    @Bean
    public RestTemplate restTemplate(LoadBalancerInterceptor loadBalancerInterceptor) {
        RestTemplate restTemplate = new RestTemplate();
        //注入loadBalancerInterceptor拦截器
        restTemplate.setInterceptors(Arrays.asList(loadBalancerInterceptor));
        return restTemplate;
    }

3、Ribbon 扩展功能

3.1、Ribbon相关接口

参考： org.springframework.cloud.netflix.ribbon.RibbonClientConfiguration 源码类：

IClientConfig：Ribbon的客户端配置，默认采用DefaultClientConfigImpl实现。
IRule：Ribbon的负载均衡策略，默认采用ZoneAvoidanceRule实现，该策略能够在多区域环境下选出最佳区域的实例进行访问。
IPing：Ribbon的实例检查策略，默认采用DummyPing实现，该检查策略是一个特殊的实现，实际上它并不会检查实例是否可用，而是始终返回true，默认认为所有服务实例都是可用的。
ServerList：服务实例清单的维护机制，默认采用ConfigurationBasedServerList实现。
ServerListFilter：服务实例清单过滤机制，默认采ZonePreferenceServerListFilter，该策略能够优先过滤出与请求方处于同区域的服务实例。
ILoadBalancer：负载均衡器，默认采用ZoneAwareLoadBalancer实现，它具备了区域感知的能力。

3.2、Ribbon 负载均衡策略

1). RandomRule：随机选择一个Server。
2). RetryRule：对选定的负载均衡策略机上重试机制，在一个配置时间段内当选择Server不成功，则一直尝试使用subRule的方式选择一个可用的server。
3). RoundRobinRule：轮询选择，轮询index，选择index对应位置的Server。
4). AvailabilityFilteringRule：过滤掉一直连接失败的被标记为circuit tripped的后端Server，并过滤掉那些高并发的后端Server或者使用一个AvailabilityPredicate来包含过滤server的逻辑，其实就是检查status里记录的各个Server的运行状态。
5). BestAvailableRule：选择一个最小的并发请求的Server，逐个考察Server，如果Server被 tripped了，则跳过。
6). WeightedResponseTimeRule：根据响应时间加权，响应时间越长，权重越小，被选中的可能性越低。
7). ZoneAvoidanceRule：默认的负载均衡策略，即复合判断Server所在区域的性能和Server的可用性选择Server，在没有区域的环境下，类似于轮询。
8). NacosRule: 优先调用同一集群的实例，基于随机权重。

3.3、修改默认负载均衡策略

mall-order:
  ribbon:
    #指定使用Nacos提供的负载均衡策略（优先调用同一集群的实例，基于随机&权重）
    NFLoadBalancerRuleClassName: com.alibaba.cloud.nacos.ribbon.NacosRule

3.4、自定义负载均衡策略

全局配置


import com.alibaba.cloud.nacos.ribbon.NacosRule;
import com.netflix.loadbalancer.IRule;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;

/**
 * @author nandao
 */
@Configuration
public class RibbonConfig {

    /**
     * 全局配置
     * 指定负载均衡策略
     * @return
     */
    @Bean
    public IRule ribbonRule() {
        // 指定使用Nacos提供的负载均衡策略（优先调用同一集群的实例，基于随机权重）
        return new NacosRule();
    }
}

局部配置

mall-order:
  ribbon:
    #指定使用Nacos提供的负载均衡策略（优先调用同一集群的实例，基于随机&权重）
    #NFLoadBalancerRuleClassName: com.alibaba.cloud.nacos.ribbon.NacosRule
  # 自定义的负载均衡策略（基于随机&权重）
    NFLoadBalancerRuleClassName: com.nandao.mall.ribbondemo.rule.NacosRandomWithWeightRule

NacosRandomWithWeightRule 类


import com.alibaba.cloud.nacos.NacosDiscoveryProperties;
import com.alibaba.cloud.nacos.ribbon.NacosServer;
import com.alibaba.nacos.api.exception.NacosException;
import com.alibaba.nacos.api.naming.NamingService;
import com.alibaba.nacos.api.naming.pojo.Instance;
import com.netflix.client.config.IClientConfig;
import com.netflix.loadbalancer.AbstractLoadBalancerRule;
import com.netflix.loadbalancer.DynamicServerListLoadBalancer;
import com.netflix.loadbalancer.Server;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;

/**
 * @author nandao
 */
@Slf4j
public class NacosRandomWithWeightRule extends AbstractLoadBalancerRule {

    @Autowired
    private NacosDiscoveryProperties nacosDiscoveryProperties;

    @Override
    public Server choose(Object key) {
        DynamicServerListLoadBalancer loadBalancer = (DynamicServerListLoadBalancer) getLoadBalancer();
        String serviceName = loadBalancer.getName();
        NamingService namingService = nacosDiscoveryProperties.namingServiceInstance();

        try {
            //nacos基于随机权重的算法
            Instance instance = namingService.selectOneHealthyInstance(serviceName);
            log.info(instance.getIp()+":"+instance.getPort());
            return new NacosServer(instance);
        } catch (NacosException e) {
            log.error("获取服务实例异常：{}", e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    @Override
    public void initWithNiwsConfig(IClientConfig clientConfig) {

    }

}

4.5、饥饿加载

在进行服务调用的时候，如果网络情况不好，第一次调用会超时。Ribbon默认懒加载，意味着只有在发起调用的时候才会创建客户端，开启饥饿加载，解决第一次调用慢的问题。参数配置：

ribbon:
  eager-load:
    # 开启ribbon的饥饿加载模式
    enabled: true
    # 指定需要饥饿加载的服务名，也就是你需要调用的服务，如果有多个服务，则用逗号隔开
    clients: mall-order

客户端启动标识：

即服务启动时就加载成功了！

三、Loadbalancer 原理及使用

Spring Cloud LoadBalancer是Spring Cloud官方自己提供的客户端负载均衡器, 用来替代Ribbon。
Spring官方提供了两种客户端都可以使用loadbalancer如下：
RestTemplate：RestTemplate是Spring提供的用于访问Rest服务的客户端，RestTemplate提供了多种便捷访问远程Http服务的方法，能够大大提高客户端的编写效率。默认情况下，RestTemplate默认依赖jdk的HTTP连接工具。
WebClient：WebClient是从Spring WebFlux 5.0版本开始提供的一个非阻塞的基于响应式编程的进行Http请求的客户端工具。它的响应式编程的基于Reactor的。WebClient中提供了标准Http请求方式对应的get、post、put、delete等方法，可以用来发起相应的请求。

1、RestTemplate整合LoadBalancer

1.1、引入依赖

        <!-- nacos服务注册与发现 -->
        <dependency>
            <groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
            <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-nacos-discovery</artifactId>
            <exclusions>
                <exclusion>
                    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
                    <artifactId>spring‐cloud‐starter‐netflix‐ribbon</artifactId>
                </exclusion>
            </exclusions>
        </dependency>

        <!-- LoadBalancer -->
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
            <artifactId>spring-cloud-starter-loadbalancer</artifactId>
        </dependency>

注意： nacos-discovery中引入了ribbon，需要移除ribbon的包如果不移除，也可以在yml中配置不使用ribbon。默认情况下，如果同时拥有RibbonLoadBalancerClient和BlockingLoadBalancerClient，为了保持向后兼容性，将使用RibbonLoadBalancerClient。

另外要覆盖它，可以设置spring.cloud.loadbalancer.ribbon.enabled属性为false。

spring:
  application:
    name: mall-user-loadbalancer-demo  #微服务名称

  #配置nacos注册中心地址
  cloud:
    nacos:
      discovery:
        server-addr: 116.204.80.152:8848
        namespace: 2aa2111a-3470-4f69-9994-e9d288e20a62
        group: wanghuainan

    # 不使用ribbon，使用loadbalancer
    loadbalancer:
      ribbon:
        enabled: false

1.2、使用@LoadBalanced注解修饰RestTemplate，开启客户端负载均衡功能

@Configuration
  public class RestConfig {
  @Bean
  @LoadBalanced
  public RestTemplate restTemplate() {
      return new RestTemplate();
  }
}

1.3、接口调用

@RestController
 @RequestMapping("/user")
 public class UserController {
 
 @Autowired
 private RestTemplate restTemplate;
 
 @RequestMapping(value = "/findOrderByUserId/{id}")
 public R findOrderByUserId(@PathVariable("id") Integer id) {
    String url = "http://mall‐order/order/findOrderByUserId/"+id;
    R result = restTemplate.getForObject(url,R.class);
    return result;
  }
}

2、WebClient整合LoadBalancer

2.1、引入依赖

在上面依赖的基础上添加

       <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-webflux</artifactId>
        </dependency>

2.2、配置WebClient作为负载均衡器的client


import org.springframework.cloud.client.loadbalancer.LoadBalanced;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.web.reactive.function.client.WebClient;

@Configuration
public class WebClientConfig {

  @LoadBalanced
  @Bean
  WebClient.Builder webClientBuilder() {
    return WebClient.builder();
  }

  @Bean
  WebClient webClient() {
    return webClientBuilder().build();
  }

}

2.3、接口调用

    @Autowired
    private WebClient webClient;

    @RequestMapping(value = "/findOrderByUserId2/{id}")
    public Mono<R> findOrderByUserIdWithWebClient(@PathVariable("id") Integer id) {

        String url = "http://mall-order/order/findOrderByUserId/"+id;
        //基于WebClient
        Mono<R> result = webClient.get().uri(url).retrieve().bodyToMono(R.class);
        return result;
    }

原理：底层会使用ReactiveLoadBalancer，类图显示：

引入webFlux

    @Autowired
    private ReactorLoadBalancerExchangeFilterFunction lbFunction;

    @RequestMapping(value = "/findOrderByUserId3/{id}")
    public Mono<R> findOrderByUserIdWithWebFlux(@PathVariable("id") Integer id) {

        String url = "http://mall-order/order/findOrderByUserId/"+id;
        //基于WebClient+webFlux
        Mono<R> result = WebClient.builder()
                .filter(lbFunction)
                .build()
                .get()
                .uri(url)
                .retrieve()
                .bodyToMono(R.class);
        return result;
    }

到此、负载均衡器Ribbon原理及实战演练分享完毕，有时间一定要多多练习。