Nginx的负载均衡 - 最少连接 (least_conn)

Nginx版本：1.9.1

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算法介绍

我们知道轮询算法是把请求平均的转发给各个后端，使它们的负载大致相同。

这有个前提，就是每个请求所占用的后端时间要差不多，如果有些请求占用的时间很长，会导致其所在的后端

负载较高。在这种场景下，把请求转发给连接数较少的后端，能够达到更好的负载均衡效果，这就是least_conn算法。

least_conn算法很简单，首选遍历后端集群，比较每个后端的conns/weight，选取该值最小的后端。

如果有多个后端的conns/weight值同为最小的，那么对它们采用加权轮询算法。

指令的解析函数

在一个upstream配置块中，如果有least_conn指令，表示使用least connected负载均衡算法。

least_conn指令的解析函数为ngx_http_upstream_least_conn，主要做了：

指定初始化此upstream块的函数uscf->peer.init_upstream

指定此upstream块中server指令支持的属性

static char *ngx_http_upstream_least_conn(ngx_conf_t *cf, ngx_command_t *cmd, void *ctx)
{
    ngx_http_upstream_srv_conf_t *uscf;

    /* 获取所在的upstream{}块 */
    uscf = ngx_http_conf_get_module_srv_conf(cf, ngx_http_upstream_module);

   if (uscf->peer.init_upstream)
       ngx_conf_log_error(NGX_LOG_WARN, cf, 0, "load balancing method redefined");

    /* 此upstream块的初始化函数 */
    uscf->peer.init_upstream = ngx_http_upstream_init_least_conn;

    /* 指定此upstream块中server指令支持的属性 */
    uscf->flags = NGX_HTTP_UPSTREAM_CREATE
        | NGX_HTTP_UPSTREAM_WEIGHT
        | NGX_HTTP_UPSTREAM_MAX_FAILS
        | NGX_HTTP_UPSTREAM_FAIL_TIMEOUT
        | NGX_HTTP_UPSTREAM_DOWN
        | NGX_HTTP_UPSTREAM_BACKUP;

    return NGX_CONF_OK;
}

以下是upstream块中server指令可支持的属性

NGX_HTTP_UPSTREAM_CREATE：检查是否重复创建，以及必要的参数是否填写

NGX_HTTP_UPSTREAM_WEIGHT：server指令支持weight属性

NGX_HTTP_UPSTREAM_MAX_FAILS：server指令支持max_fails属性

NGX_HTTP_UPSTREAM_FAIL_TIMEOUT：server指令支持fail_timeout属性

NGX_HTTP_UPSTREAM_DOWN：server指令支持down属性

NGX_HTTP_UPSTREAM_BACKUP：server指令支持backup属性

初始化upstream块

执行完指令的解析函数后，紧接着会调用所有HTTP模块的init main conf函数。

在执行ngx_http_upstream_module的init main conf函数时，会调用所有upstream块的初始化函数。

对于使用least_conn的upstream块，其初始化函数（peer.init_upstream）就是上一步中指定

ngx_http_upstream_init_least_conn，它主要做了：

调用round robin的upstream块初始化函数来创建和初始化后端集群，保存该upstream块的数据

指定per request的负载均衡初始化函数peer.init

因为脏活累活都让round robin的upstream块初始化函数给干了，所以ngx_http_upstream_init_least_conn很简单。

static ngx_int_t ngx_http_upstream_init_least_conn(ngx_conf_t *cf, ngx_http_upstream_srv_conf_t *us)
{
    ngx_log_debug0(NGX_LOG_DEBUG_HTTP, cf->log, 0, "init least conn");

    /* 使用round robin的upstream块初始化函数，创建和初始化后端集群 */
    if (ngx_http_upstream_init_round_robin(cf, us) != NGX_OK)
        return NGX_ERROR;

    /* 重新设置per request的负载均衡初始化函数 */
    us->peer.init = ngx_http_upstream_init_least_conn_peer;

    return NGX_OK;
}

初始化请求的负载均衡数据

收到一个请求后，一般使用的反向代理模块（upstream模块）为ngx_http_proxy_module，

其NGX_HTTP_CONTENT_PHASE阶段的处理函数为ngx_http_proxy_handler，在初始化upstream机制的

ngx_http_upstream_init_request函数中，调用在第二步中指定的peer.init，主要用于初始化请求的负载均衡数据。

对于least_conn，peer.init实例为ngx_http_upstream_init_least_conn_peer，主要做了：

调用round robin的peer.init来初始化请求的负载均衡数据

重新指定peer.get，用于从集群中选取一台后端服务器

least_conn的per request负载均衡数据和round robin的完全一样，都是一个ngx_http_upstream_rr_peer_data_t实例。

static ngx_int_t ngx_http_upstream_init_least_conn_peer(ngx_http_request_t *r, ngx_http_upstream_srv_conf_t *us)
{
    ngx_log_debug0(NGX_LOG_DEBUG_HTTP, r->connection->log, 0, "init least conn peer");

    /* 调用round robin的per request负载均衡初始化函数 */
    if (ngx_http_upstream_init_round_robin_peer(r, us) != NGX_OK)
        return NGX_ERROR;

    /* 指定peer.get，用于从集群中选取一台后端 */
    r->upstream->peer.get = ngx_http_upstream_get_least_conn_peer;

    return NGX_OK;
}

选取一台后端服务器

一般upstream块中会有多台后端，那么对于本次请求，要选定哪一台后端呢？

这时候第三步中r->upstream->peer.get指向的函数就派上用场了：

采用least connected算法，从集群中选出一台后端来处理本次请求。 选定后端的地址保存在pc->sockaddr，pc为主动连接。

函数的返回值：

NGX_DONE：选定一个后端，和该后端的连接已经建立。之后会直接发送请求。

NGX_OK：选定一个后端，和该后端的连接尚未建立。之后会和后端建立连接。

NGX_BUSY：所有的后端（包括备份集群）都不可用。之后会给客户端发送502（Bad Gateway）。

static ngx_int_t ngx_http_upstream_get_least_conn_peer(ngx_peer_connection_t *pc, void *data)
{
    ngx_http_upstream_rr_peer_data_t *rrp = data; /* 请求的负载均衡数据 */
    time_t now;
    uintptr_t m;
    ngx_int_t rc, total;
    ngx_uint_t i, n, p, many;
    ngx_http_upstream_rr_peer_t *peer, *best;
    ngx_http_upstream_rr_peers_t *peers;
    ...
    /* 如果集群只包含一台后端，那么就不用选了 */
    if (rrp->peers->single)
        return ngx_http_upstream_get_round_robin_peer(pc, rrp);

    pc->cached = 0;
    pc->connection = NULL;
    now = ngx_time();
    peers = rrp->peers; /* 后端集群 */
    best = NULL;
    total = 0;
    ...
    /* 遍历后端集群 */
    for (peer = peers->peer, i = 0; peer; peer = peer->next, i++)
    {
        /* 检查此后端在状态位图中对应的位，为1时表示不可用 */
        n = i / (8 * sizeof(uintptr_t));
        m = (uintptr_t) 1 << i % (8 * sizeof(uintptr_t));

        if (rrp->tried[n] & m)
           continue;

        /* server指令中携带了down属性，表示后端永久不可用 */
        if (peer->down)
            continue;

        /* 在一段时间内，如果此后端服务器的失败次数，超过了允许的最大值，那么不允许使用此后端了 */
         if (peer->max_fails && peer->fails >= peer->max_fails
             && now - peer->checked <= peer->fail_timeout)
            continue;

        /* select peer with least number of connections; if there are multiple peers
         * with the same number of connections, select based on round-robin.
         */
        /* 比较各个后端的conns/weight，选取最小者；
         * 如果有多个最小者，记录第一个的序号p，且设置many标志。
         */
        if (best == NULL || peer->conns * best->weight < best->conns * peer->weight)
        {
            best = peer;
            many = 0;
            p = i;
        } else if (peer->conns * best->weight == best->conns * peer->weight)
            many = 1;
    }

    /* 找不到可用的后端 */
    if (best == NULL)
        goto failed;

    /* 如果有多个后端的conns/weight同为最小者，则对它们使用轮询算法 */
    if (many) {
        for (peer = best, i = p; peer; peer->peer->next, i++)
        {
            /* 检查此后端在状态位图中对应的位，为1时表示不可用 */
            n = i / (8 * sizeof(uintptr_t));
            m = (uintptr_t) 1 << i % (8 * sizeof(uintptr_t));

           /* server指令中携带了down属性，表示后端永久不可用 */
            if (peer->down)
                continue;

           /* conns/weight必须为最小的 */
            if (peer->conns * best->weight != best->conns * peer->weight)
                continue;

           /* 在一段时间内，如果此后端服务器的失败次数，超过了允许的最大值，那么不允许使用此后端了 */
            if (peer->max_fails && peer->fails >= peer->max_fails
                && now - peer->checked <= peer->fail_timeout)
               continue;

            peer->current_weight += peer->effective_weight; /* 对每个后端，增加其当前权重 */
            total += peer->effective_weight; /* 累加所有后端的有效权重 */

           /* 如果之前此后端发生了失败，会减小其effective_weight来降低它的权重。
              * 此后在选取后端的过程中，又通过增加其effective_weight来恢复它的权重。
              */
            if (peer->effective_weight < peer->weight)
                peer->effective_weight++;

            /* 选取当前权重最大者，作为本次选定的后端 */
            if (best == NULL || peer->current_weight > best->current_weight) {
                best = peer;
                p = i;
            }
        }
    }

    best->current_weight -= total; /* 如果使用轮询，要降低选定后端的当前权重 */

    /* 更新checked时间 */
    if (now - best->checked > best->fail_timeout)
         best->checked = now;

    /* 保存选定的后端服务器的地址，之后会向这个地址发起连接 */
    pc->sockaddr = best->sockaddr;
    pc->socklen = best->socklen;
    pc->name = &best->name;

    best->conns++; /* 增加选定后端的当前连接数 */    

    n = p / (8 * sizeof(uintptr_t));
    m = (uintptr_t) 1 << p % (8 * sizeof(uintptr_t));
    rrp->tried[n] |= m; /* 对于此请求，如果之后需要再次选取后端，不能再选取这个后端了 */

    return NGX_OK;

failed:
    /* 如果不能从集群中选取一台后端，那么尝试备用集群 */
    if (peers->next) {
        ...
        rrp->peers = peers->next;
        n = (rrp->peers->number + (8 * sizeof(uintptr_t) - 1))
                / (8 * sizeof(uintptr_t));
        for (i = 0; i < n; i++)
             rrp->tried[i] = 0;

        /* 重新调用本函数 */
        rc = ngx_http_upstream_get_least_conn_peer(pc, rrp);

        if (rc != NGX_BUSY)
            return rc;
    }

    /* all peers failed, mark them as live for quick recovery */
    for (peer = peers->peer; peer; peer = peer->next) {
        peer->fails = 0;
    }
    pc->name = peers->name;
    return NGX_BUSY;
}