【转载】"一致性hash"算法与server列表维护(备忘)

来源：互联网发布：批处理运行java 编辑：程序博客网时间：2024/05/20 18:45

普通的hash算法有个很大的问题:当hash的"模数"发生变化时,整个hash数据结构就需要重新hash,重新hash之后的数据分布一定会和hash之前的不同;在很多场景下,"模数"的变化时必然的,但是这种"数据分布"的巨大变化却会带来一些麻烦.所以,就有了"一致性hash",当然学术界对"一致性hash"的阐述,还远远不止这些.

在编程应用方面,最直观的例子就是"分布式缓存",一个cache集群中,有N台物理server,为了提升单台server的支撑能力,可能会考虑将数据通过hash的方式相对均匀的分布在每个server上.

判定方式: location = hashcode(key) % N;事实上,由于需要,N可能会被增加或者削减,不管程序上是否能够妥善的支持N的变更,单从"数据迁移"的面积而言,也是非常大的.

一致性Hash很巧妙的简化了这个问题,同时再使用"虚拟节点"的方式来细分数据的分布.

图示中表名,有2个物理server节点,每个物理server节点有多个Snode虚拟节点,server1和server2的虚拟节点互相"穿插"且依次排列,每个snode都有一个code,它表示接受数据的hashcode起始值(或终止值),比如上述图示中第一个snode.code为500,即当一个数据的hashcode值在[0,500]时则会被存储在它上.

引入虚拟节点之后,事情就会好很多;假如KEY1分布在Snode3上,snode3事实为物理server1,当server1故障后,snode2也将被移除,那么KEY1将会被分布在"临近的"虚拟节点上--snode2(或者snode4,由实现而定);无论是存取,下一次对KEY1的操作将会有snode2(或snode4)来服务.

1) 一个物理server在逻辑上分成N个虚拟节点(本例中为256个)

2) 多个物理server的虚拟节点需要散列分布,即互相"穿插".

3) 所有的虚拟节点,在逻辑上形成一个链表

4) 每个虚拟节点,负责一定区间的hashcode值.

Java代码  
import java.net.InetSocketAddress;  
import java.net.Socket;  
import java.net.SocketAddress;  
import java.nio.charset.Charset;  
import java.security.MessageDigest;  
import java.security.NoSuchAlgorithmException;  
import java.util.Map;  
import java.util.NavigableMap;  
import java.util.TreeMap;  
  
  
public class ServersPool {  
  
    private static final int VIRTUAL_NODES_NUMBER = 256;//物理节点对应的虚拟节点的个数  
    private static final String TAG = ".-vtag-.";  
    private NavigableMap<Long, SNode> innerPool = new TreeMap<Long, SNode>();  
    private Hashing hashing = new Hashing();  
  
    /** 
     * 新增物理server地址 
     * @param address 
     * @param  weight 
     * 权重,权重越高,其虚拟节点的个数越高,事实上没命中的概率越高 
     * @throws Exception 
     */  
    public synchronized void addServer(String address,int weight) throws Exception {  
        SNode prev = null;  
        SNode header = null;  
        String[] tmp = address.split(":");  
        InnerServer server = new InnerServer(tmp[0], Integer.parseInt(tmp[1]));  
        server.init();  
        //将一个address下的所有虚拟节点SNode形成链表,可以在removeServer,以及  
        //特殊场景下使用  
        int max = 1;  
        if(weight > 0){  
            max = VIRTUAL_NODES_NUMBER * weight;  
        }  
        for (int i = 0; i < max; i++) {  
            long code = hashing.hash(address + TAG + i);  
            SNode current = new SNode(server, code);  
            if (header == null) {  
                header = current;  
            }  
            current.setPrev(prev);  
            innerPool.put(code, current);  
            prev = current;  
        }  
    }  
    /** 
     * 删除物理server地址,伴随着虚拟节点的删除 
     * @param address 
     */  
    public synchronized void removeServer(String address) {  
        long code = hashing.hash(address + TAG + (VIRTUAL_NODES_NUMBER - 1));  
        SNode current = innerPool.get(code);  
        if(current == null){  
            return;  
        }  
        if(!current.getAddress().equalsIgnoreCase(address)){  
            return;  
        }  
        current.getServer().close();;  
        while (current != null) {  
            current = innerPool.remove(current.getCode()).getPrev();  
        }  
  
    }  
  
    /** 
     * 根据指定的key,获取此key应该命中的物理server信息 
     * @param key 
     * @return 
     */  
    public InnerServer getServer(String key) {  
        long code = hashing.hash(key);  
        SNode snode = innerPool.lowerEntry(code).getValue();  
        if (snode == null) {  
            snode = innerPool.firstEntry().getValue();  
        }  
        return snode.getServer();  
    }  
  
  
    /** 
     * 虚拟节点描述 
     */  
    class SNode {  
        Long code;  
        InnerServer server;  
        SNode prev;  
  
        SNode(InnerServer server, Long code) {  
            this.server = server;  
            this.code = code;  
        }  
  
        SNode getPrev() {  
            return prev;  
        }  
  
        void setPrev(SNode prev) {  
            this.prev = prev;  
        }  
  
        Long getCode() {  
            return this.code;  
        }  
  
        InnerServer getServer() {  
            return server;  
        }  
        String getAddress(){  
            return server.ip + ":" + server.port;  
        }  
    }  
  
    /** 
     * hashcode生成 
     */  
    class Hashing {  
        //少量优化性能  
        private ThreadLocal<MessageDigest> md5Holder = new ThreadLocal<MessageDigest>();  
        private Charset DEFAULT_CHARSET = Charset.forName("utf-8");  
  
        public long hash(String key) {  
            return hash(key.getBytes(DEFAULT_CHARSET));  
        }  
  
        public long hash(byte[] key) {  
            try {  
                if (md5Holder.get() == null) {  
                    md5Holder.set(MessageDigest.getInstance("MD5"));  
                }  
            } catch (NoSuchAlgorithmException e) {  
                throw new IllegalStateException("no md5 algorythm found");  
            }  
            MessageDigest md5 = md5Holder.get();  
  
            md5.reset();  
            md5.update(key);  
            byte[] bKey = md5.digest();  
            long res = ((long) (bKey[3] & 0xFF) << 24)  
                    | ((long) (bKey[2] & 0xFF) << 16)  
                    | ((long) (bKey[1] & 0xFF) << 8) | (long) (bKey[0] & 0xFF);  
            return res;  
        }  
    }  
  
    /** 
     * 与物理server的TCP链接,用于实际的IO操作 
     */  
    class InnerServer {  
        String ip;  
        int port;  
        Socket socket;  
  
        InnerServer(String ip, int port) {  
            this.ip = ip;  
            this.port = port;  
        }  
  
        synchronized void init() throws Exception {  
            SocketAddress socketAddress = new InetSocketAddress(ip, port);  
            socket = new Socket();  
            socket.connect(socketAddress, 30000);  
        }  
  
        public boolean write(byte[] sources) {  
            //TODO  
            return true;  
        }  
  
        public byte[] read() {  
            //TODO  
            return new byte[]{};  
        }  
  
        public void close(){  
             if(socket == null || socket.isClosed()){  
                 return;  
             }  
            try{  
                socket.close();  
            } catch (Exception e){  
                //  
            }  
        }  
    }  
}  

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