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這篇是《分佈式關注點系列》中「負載均衡」相關的內容最後一發了，後續也會繼續講「高可用」相關的其它主題，主要是限流、降級、熔斷之類的吧，具體還沒定。文末先附上之前發過的高可用相關文章，供你再溫故一下。
下面這個場景不知是否在你面前出現過。
開發Z哥對運維Y弟喊：“Y弟，現在系統好卡，剛上了一波活動，趕緊幫我加幾臺機器上去頂一下。”
Y弟回覆說：“沒問題，分分鐘搞定”。
然後就發現數據庫的壓力迅速上升，DBA就吼了：“Z哥，你丫的搞什麼呢？數據庫要被你弄垮了”。
然後客服那邊接框也爆炸了，越來越多的用戶說剛登陸後沒多久，操作着就退出了，接着登陸，又退出了，到底還做不做生意了。
這些問題背後都是由於一個「Session丟失」問題導致的。
一、什麼是Session丟失
相信Session對大部分Coder來說應該都知道。它是爲了將同一個用戶的多次訪問在系統中被識別爲“同一個用戶”而產生的概念。除此之外，還可以基於它來減少重複往DB或者遠程服務處獲取與該用戶相關的信息，以起到提升性能的作用。
在我們做了負載均衡的場景中，如果選擇的負載策略是hash策略，那麼會使得Session產生一個副作用，這個副作用就如上面舉的案例那樣，用戶一旦由於某種原因從原先訪問服務器A變成訪問服務器B，就會出現“登陸狀態丟失”、“緩存穿透”等問題。
爲什麼hash策略會出現這個問題呢？首先有必要先了解一下hash是如何進行的。hash策略就是下圖這樣的一個散列函數。在函數不變的情況下，A永遠對應01，B對應04，C對應08。
▲圖片來源於網絡，版權歸原作者所有
以nginx中的ip_hash策略來舉個例子。因爲我們認爲正常情況下用戶的ip不會在短時間內發生變化，所以當我們選擇使用ip_hash策略進行負載均衡時，意味着期望同一個用戶能夠一直訪問到同一臺服務器上，就像下圖這樣。
▲圖中的hash函數是最簡單的隨意舉例
如此一來，我們只需要在這一臺服務器上將這個用戶相關的信息緩存在進程內，就能起到非常高性價比的提升性能的效果。
這時，客戶端與服務端之間的相當於建立了一個信任，相互認識。這個信任就是「Session」。
但是，當我們加了一臺服務器之後，事情就發生變化了。
▲圖中的hash函數是最簡單的隨意舉例
這個時候我們原先的預期就被破壞了。因爲用戶與序號0節點的鏈接變成了與序號3的鏈接，所以產生了前面提到的「Session丟失」問題。與此同時，在序號0節點上做的進程內緩存都無效了，而在序號3節點上又沒有用戶相關的任何緩存，導致大量數據需要從下游的DB或者遠程服務處獲取。你要知道，一旦涉及到網絡通信，性能必然明顯下降，I/O、序列化都是耗時的工作。更重要的是，一旦同時有大量用戶產生這個情況，由於後端的DB和遠程服務瞬時無法承載激增的高密度請求，可能會導致它掛起。這還沒完，如果當前程序沒有一些故障隔離或者降級策略，還會進一步產生蝴蝶效應，導致整個大系統響應緩慢。可謂“一顆老鼠屎壞了一鍋粥”。
二、nginx是如何來解決這個問題的
既然以nginx舉例，還是從nginx開始聊。通過在nginx中引入nginx-sticky-module模塊可以來解決這個問題。解決的整個過程如下。
▲圖片來源於網絡，版本歸原作者所有
可以看到，當client第一次進入到nginx匹配節點的時候，在給它分配一個節點的同時，會將這個節點的唯一標識進行md5後寫入到cookie中一併返回，如果下次再發起請求的時候發現帶有這個cookie值，就直接轉發到該值所對應的節點上去。這個機制被專業的稱之爲「Session保持」。
雖然可以利用cookie來解決這個問題，但是cookie也有一個潛在的問題，如果客戶端未開啓cookie功能，這個機制就失效了。不過好在目前主流瀏覽器都是默認打開cookie的。
題外話：nginx是2004年發佈的，在nginx-sticky-module出現之前的7年間也是nginx相比競品HAProxy最大的一個短板，因爲HAProxy支持Session保持。
三、Session保持的其它方案
除了cookie之外，還有2種方式也可以最終達到類似的效果。分別被稱爲「Session複製」、「Session共享」。
01 Session複製
這是最簡單粗暴的方式。根據第一節的案例來看，導致問題的原因是節點3沒有用戶的Session。那麼很容易想到，在節點3運行之前把Session相關的Cache數據複製過去唄。並且在多個節點之間持續保證數據的同步，也就是說，每一臺節點上都存在每個用戶的Session數據。
實現的方案有很多，特別是不同的宿主程序都或多或少提供了一些切入點，甚至是拿來即用的方案，如Tomcat的Delta Manager和Backup Manager、Tomcat和IIS的Filter機制等等，這裏就不展開了。
此類方案的特點是
優點：天然高可用，一部分節點宕機沒事。因爲每一個節點上存放着所有已連接用戶的會話信息。
缺點：因爲每臺計算機的內存是有上限的，僅適用於會話相關的數據大小較小的場景。並且，由於多個節點之間需要同步數據，需要額外解決數據一致性問題。與此同時，隨着節點越多，損耗越大（延遲、帶寬等），有廣播風暴風險。
02 Session共享
我們還可以通過將session信息存放到全局共享的存儲介質中來達到一樣的效果，如數據庫、遠程緩存等，這是一種中心化思想的解決方案。
此類方案的特點是
優點：不管節點怎麼增加和減少，100%不會產生會話丟失。
缺點：每次讀寫請求都需要增加額外共享儲存調用，增加了網絡I/O、序列化等操作，性能明顯下降。另外，用作共享的存儲介質除了增加了額外的維護成本外，還需要解決單點問題，以免產生系統性風險。
同之前「Session保持」方案一起對比下各自的優缺點和適用場景。
分別用一句話概括一下這3個方案：
Session 保持。原來在哪還是去哪。
Session 複製。不管在哪都有一樣的數據。
Session 共享。所有節點共用一份數據。
越大型的系統，最終都會往「Session共享」這個方案上走，因爲只要再對這個共享存儲做橫向擴展，理論上就可以支撐無窮大的用戶了。如Redis、一系列的NOSQL以及NEWSQL等。就像下面這樣，集「規模大」、「高可用」、「效果好」於一身。
四、結語
現在你應該清楚了Session丟失問題，也知道了如何去應對他。但是，我們還需要明白一個事實：嚴格來說「Session保持」本質上是破壞了做「負載均衡」的初衷。舉個極端點的場景：一共有10個會話連在了節點A上，並且都是活動中狀態。那麼這個時候哪怕增加一個節點B上線，只要沒有新的會話進來，節點B上的活動連接數永遠是0，並沒有起到分擔壓力的作用。
但是，在系統的起步時期，其實用這樣簡單的方案也是極好的。
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作者：Zachary（個人微信號：Zachary-ZF）
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