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负载均衡之带权重的随机负载均衡算法详解与实现

java 2025/8/27 9:46:33

在分布式系统中，负载均衡器扮演着“交通警察”的角色：它负责把来自客户端的请求合理地分配到多个后端节点上，既要保证系统吞吐，又要避免部分节点过载。常见的策略有轮询（Round Robin）、随机（Random）、最少连接（Least Connection）等。

今天我们要探讨的是——带权重的随机负载均衡（Weighted Random Load Balancing），并结合代码实现来解析其内部逻辑与应用场景。

1. 为什么需要“带权重”？

普通的随机负载均衡，每个节点被选中的概率是均等的。但在实际场景中，后端节点往往性能不一：

GPU 算力不同的模型推理服务
配置不一的数据库主从节点
处理能力差异较大的微服务集群

如果依旧采用均等分配，性能较强的节点可能被“低估”，而弱节点可能被“压垮”。这时，引入权重就是自然的选择：权重越高，被选中的概率越大。

2. 算法核心思想

带权随机的核心流程可以概括为三步：

计算权重总和
遍历所有节点，求和得到 totalWeight。
生成随机数
在 [0, totalWeight) 区间生成随机数 r。
查找区间
把各节点的权重看作一个连续区间，逐个累加，找到 r 落入的区间，就选择对应节点。

举个例子：

节点权重如下：

节点	权重	区间
A	5	[0, 5)
B	3	[5, 8)
C	2	[8, 10)

如果 r=2 → 落在 [0,5)，选择 A
如果 r=6 → 落在 [5,8)，选择 B
如果 r=9 → 落在 [8,10)，选择 C

最终概率分布就是：A:50%，B:30%，C:20%。

3. Java 代码实现

下面给出一个简洁的实现版本：

import java.util.List;
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;public class WeightedRandomLoadBalancer implements LoadBalancer {@Overridepublic ModelInstance choose(List<ModelInstance> instances, String modelKey) {if (instances == null || instances.isEmpty()) return null;// 1. 计算权重总和int total = 0;for (ModelInstance instance : instances) {int w = safeWeight(instance.getWeight());total += w;}// 2. 权重总和无效时退化为均匀随机if (total <= 0) {int i = ThreadLocalRandom.current().nextInt(instances.size());return instances.get(i);}// 3. 权重随机选择int r = ThreadLocalRandom.current().nextInt(total);  // [0, total)int acc = 0;for (ModelInstance instance : instances) {acc += safeWeight(instance.getWeight());if (r < acc) return instance;}// 兜底返回最后一个return instances.get(instances.size() - 1);}private int safeWeight(Integer w) {return (w == null || w < 0) ? 1 : w; // 负权重或 null，兜底为1}
}

4. 关键代码解析

(1) 权重合法化

private int safeWeight(Integer w) {return (w == null || w < 0) ? 1 : w;
}

避免 null 或负数权重导致节点“消失”。这里兜底为 1，保证节点仍然能被选择。

(2) 退化逻辑

if (total <= 0) {int i = ThreadLocalRandom.current().nextInt(instances.size());return instances.get(i);
}

如果所有节点权重都无效（total=0），退化为普通均匀随机，保证系统可用性。

(3) 权重区间选择

int r = ThreadLocalRandom.current().nextInt(total);
int acc = 0;
for (ModelInstance instance : instances) {acc += safeWeight(instance.getWeight());if (r < acc) return instance;
}