干货 | 计算密集型服务的负载均衡策略

作者简介

 

罗茂林，携程国际机票后台研发总监，主要负责国际机票引擎的研发工作。致力于系统性能优化和研发效率提升。

一般情况下，在计算密集型服务中，即使处理单个请求也需要使用到服务器的所有CPU。如果单台服务器连续接收到两个请求，要么两个请求互相争抢CPU，要么后来的请求排在前面的后面等待处理。最终，会导致平均处理时间变长。常规的负载均衡策略（如轮询、随机等）下，负载均衡器不关心服务器的负载情况，这就很容易造成服务器同时收到多个请求，从而使服务器的服务质量下降。

一、背景

有一天，携程国际机票查询引擎经过一次改造后，虽然平均响应时间得到了提升，但是响应时间也有非常大的波动。从监控图上看，非常明显的尖刺持续存在。如下图：

经过分析，我们发现这次改造深度优化了服务的并行计算能力，使得引擎成为了一个完全的计算密集型服务，它的最大并发处理能力为1。然而，我们却没有相应的修改负载均衡策略，而是继续使用的轮询策略。

对于计算密集型服务，如果使用轮询策略，有如下三种情况：

理想情况是连续两个请求之间无间隔、无重叠，既下一个请求刚好在上一个请求处理完成的时刻到达。这种情况下，后来的请求没有等待时间，服务器也没有空闲时间，得到了充分的利用。

通常情况下，由于请求的到达普遍服从泊松分布，如果使用轮询、随机等负载均衡策略，单机的请求也服从泊松分布，即连续两个请求间总会存在间隔或者重叠，导致服务器资源空闲或者请求响应时间上升。

在极端情况下，如果某个请求的处理时间特别长，后续的一大串请求将产生积压，最终导致这些请求的响应时间也变得特别长，甚至超时。

我们发现，引擎的响应时间尖刺是由极端情况的case造成的。引擎有一类请求A，它qps不高，但是却需要CPU满负荷运转长达几秒甚至10秒才能算出结果。另有一类请求B，它qps非常高，只需要CPU满负荷运转几十毫秒就能算出结果。

当一台服务器正在处理一个A类请求时，在接下来的几秒内，它将继续收到几十个B类请求，而且所有的B类请求都要排队，直到A类请求完成。这就导致大批B类请求的响应时间由应该的几十毫秒升高到几秒，从而造成了严重的尖刺。

二、pooling

为了解决这个问题，我们使用了一种新的负载均衡策略，在这种策略下，服务器不再被动的接收请求，而是主动的去获取请求，这种方式非常容易做到服务器同一时刻只处理一个请求。在我们内部，这种方式被称为pooling（它和线程池类似，可以叫做服务器池）。

在pooling模式中，有三个主要角色：submitor、queue、worker。

• submitor

submitor一方面用于接收请求方的调用，它收到请求后，不直接处理请求，而是把这个请求提交给queue。

另一方面，submitor接收worker的回调，submitor收到worker的结果后，直接把它转发给请求方。

• queue

pooling的关键是引入了一个queue，queue是一个全局唯一队列，用于暂时缓冲请求。

我们使用了redis的list结构来实现queue。入队操作为lpush，出队操作为brpop。brpop是阻塞式的操作，当队列为空时，brpop会阻塞直到队列非空。队列非空时，如果有该队列有多个brpop操作阻塞，只有其中一个会被唤醒并且返回数据。

• worker

worker是实际的请求处理者。在旧的模式下，worker是被动接收请求。在pooling模式下，worker要主动去queue获取请求。worker启动时，要创建一个线程，这个线程启动后，便进入一个无限循环，循环的主要内容为：

1）从queue获取一个请求，当queue没有请求时，worker被阻塞。

2）worker处理这个请求。

3）把结果返回给submitor。

如此往复。可以看到，worker要么正在处理一个请求，要么正在等待一个请求。

三、效果

国际机票查询引擎的负载均衡策略由轮询改为pooling后，效果非常好。系统的平均响应时间降低了大约20%，并且完全消除了响应时间尖刺。

轮询方式：

pooling方式：

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