一致性Hash算法以及java实现「建议收藏」

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目前我们很多时候都是在做分布式系统，但是我们需把客户端的请求均匀的分布到N个服务器中，一般我们可以考虑通过Object的HashCodeHash%N，通过取余，将客户端的请求分布到不同的的服务端。但是在分布式集群中我们通常需要添加或删除服务器，所以通过取余是不行的。一致性Hash就是为了解决这个问题。

　　Consistent Hashing 一致性Hash的原理

　　1、环型Hash空间

　　根据常用的Hash，是将key哈希到一个长为2^32的桶中，即0～2^32-1的数字空间，最后通过首尾相连，我们可以想象成一个闭合的圆。如图：

　　一致性Hash算法以及java实现「建议收藏」

　　2、把数据通过一定的Hash算法处理后，映射到环上

　　例如：我们有Object1、Object2、Object3、Object4，通过Hash算法求出值如下：

　　　　Hash(Object1) = key1;

　　　　Hash(Object2) = key2;

　　　　Hash(Object3) = key3;

　　　　Hash(Object4) = key4;

　　3、将机器信息通过hash算法映射到环上

　　　　一般情况下是对机器的信息通过计算hash，然后以顺时针方向计算，将对象信息存储在相应的位置。

　　4、虚拟节点

　　　　上面是Hash算法的特性，但是Hash算法缺少一个平衡性。

　　　　Hash算法的平衡行就是为了尽可能使分配到每个数据桶里面的节点是均衡的，一个简单的例子：我们有3个分布式服务器，在大量客户端访问时，通过Hash算法，使得他们能在每个服务器均匀的访问。所以这里引入了“虚拟节点”节点，从而保证数据节点均衡。

　　　　“虚拟节点”就是真实节点的复制品，一个真实的节点对应多个“虚拟节点”，这样使得我们的节点能尽可能的在环形Hash空间均匀分布，这样我们再根据虚拟节点找到真实节点，从而保证每个真实节点上分配到的请求是均衡的。

　　具体的代码实现如下：

import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
import java.util.SortedMap;
import java.util.TreeMap;

public class ConsistencyHashing {

    // 虚拟节点的个数
    private static final int VIRTUAL_NUM = 5;

    // 虚拟节点分配，key是hash值，value是虚拟节点服务器名称
    private static SortedMap<Integer, String> shards = new TreeMap<Integer, String>();

    // 真实节点列表
    private static List<String> realNodes = new LinkedList<String>();

    //模拟初始服务器
    private static String[] servers = { "192.168.1.1", "192.168.1.2", "192.168.1.3", "192.168.1.5", "192.168.1.6" };

    static {
        for (String server : servers) {
            realNodes.add(server);
            System.out.println("真实节点[" + server + "] 被添加");
            for (int i = 0; i < VIRTUAL_NUM; i++) {
                String virtualNode = server + "&&VN" + i;
                int hash = getHash(virtualNode);
                shards.put(hash, virtualNode);
                System.out.println("虚拟节点[" + virtualNode + "] hash:" + hash + "，被添加");
            }
        }
    }

    /**
     * 获取被分配的节点名
     * 
     * @param node
     * @return
     */
    public static String getServer(String node) {
        int hash = getHash(node);
        Integer key = null;
        SortedMap<Integer, String> subMap = shards.tailMap(hash);
        if (subMap.isEmpty()) {
            key = shards.lastKey();
        } else {
            key = subMap.firstKey();
        }
        String virtualNode = shards.get(key);
        return virtualNode.substring(0, virtualNode.indexOf("&&"));
    }

    /**
     * 添加节点
     * 
     * @param node
     */
    public static void addNode(String node) {
        if (!realNodes.contains(node)) {
            realNodes.add(node);
            System.out.println("真实节点[" + node + "] 上线添加");
            for (int i = 0; i < VIRTUAL_NUM; i++) {
                String virtualNode = node + "&&VN" + i;
                int hash = getHash(virtualNode);
                shards.put(hash, virtualNode);
                System.out.println("虚拟节点[" + virtualNode + "] hash:" + hash + "，被添加");
            }
        }
    }

    /**
     * 删除节点
     * 
     * @param node
     */
    public static void delNode(String node) {
        if (realNodes.contains(node)) {
            realNodes.remove(node);
            System.out.println("真实节点[" + node + "] 下线移除");
            for (int i = 0; i < VIRTUAL_NUM; i++) {
                String virtualNode = node + "&&VN" + i;
                int hash = getHash(virtualNode);
                shards.remove(hash);
                System.out.println("虚拟节点[" + virtualNode + "] hash:" + hash + "，被移除");
            }
        }
    }

    /**
     * FNV1_32_HASH算法
     */
    private static int getHash(String str) {
        final int p = 16777619;
        int hash = (int) 2166136261L;
        for (int i = 0; i < str.length(); i++)
            hash = (hash ^ str.charAt(i)) * p;
        hash += hash << 13;
        hash ^= hash >> 7;
        hash += hash << 3;
        hash ^= hash >> 17;
        hash += hash << 5;
        // 如果算出来的值为负数则取其绝对值
        if (hash < 0)
            hash = Math.abs(hash);
        return hash;
    }

    public static void main(String[] args) {
        
        //模拟客户端的请求
        String[] nodes = { "127.0.0.1", "10.9.3.253", "192.168.10.1" };
        
        for (String node : nodes) {
            System.out.println("[" + node + "]的hash值为" + getHash(node) + ", 被路由到结点[" + getServer(node) + "]");
        }
        
        // 添加一个节点(模拟服务器上线)
        addNode("192.168.1.7");
        // 删除一个节点（模拟服务器下线）
        delNode("192.168.1.2");

        for (String node : nodes) {
            System.out.println("[" + node + "]的hash值为" + getHash(node) + ", 被路由到结点[" + getServer(node) + "]");
        }
    }
}

　测试结果：

　　从结果可以看出：服务器节点上线和下线并不会对我们服务有任何影响，除非所有的服务都下线。当之前映射的服务器下线，我们可以切换到和它Hash临近的服务节点上，保证服务的负载均衡。

如果我们考虑每台服务器性能不一致，比如服务器内存有32G、16G、8G的，我们可以根据不同的服务器性能，分配不同的负载因子（就是上面程序的VIRTUAL_NUM）,这样我们是不是可以想到和Dubbo里面的负载因子是一致的。我们可以手动的调整每台服务器的负载因子，从而根据每个服务器性能，分配不同权重的客户端请求负载量。

实现案例：

import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import java.util.SortedMap;
import java.util.TreeMap;

public class ConsistencyHashingLoadFactor {

    // 真实节点列表
    private static List<Machine> realNodes = new ArrayList<Machine>();

    // 虚拟节点，key是Hash值，value是虚拟节点信息
    private static SortedMap<Integer, String> shards = new TreeMap<Integer, String>();

    static {
        realNodes.add(new Machine("192.168.1.1", LoadFactor.Memory8G));
        realNodes.add(new Machine("192.168.1.2", LoadFactor.Memory16G));
        realNodes.add(new Machine("192.168.1.3", LoadFactor.Memory32G));
        realNodes.add(new Machine("192.168.1.4", LoadFactor.Memory16G));
        for (Machine node : realNodes) {
            for (int i = 0; i < node.getMemory().getVrNum(); i++) {
                String server = node.getHost();
                String virtualNode = server + "&&VN" + i;
                int hash = getHash(virtualNode);
                shards.put(hash, virtualNode);
            }
        }
    }

    /**
     * 获取被分配的节点名
     * 
     * @param node
     * @return
     */
    public static Machine getServer(String node) {
        int hash = getHash(node);
        Integer key = null;
        SortedMap<Integer, String> subMap = shards.tailMap(hash);
        if (subMap.isEmpty()) {
            key = shards.lastKey();
        } else {
            key = subMap.firstKey();
        }
        String virtualNode = shards.get(key);
        String realNodeName = virtualNode.substring(0, virtualNode.indexOf("&&"));
        for (Machine machine : realNodes) {
            if (machine.getHost().equals(realNodeName)) {
                return machine;
            }
        }
        return null;
    }

    /**
     * 添加节点
     * 
     * @param node
     */
    public static void addNode(Machine node) {
        if (!realNodes.contains(node)) {
            realNodes.add(node);
            System.out.println("真实节点[" + node + "] 上线添加");
            for (int i = 0; i < node.getMemory().getVrNum(); i++) {
                String virtualNode = node.getHost() + "&&VN" + i;
                int hash = getHash(virtualNode);
                shards.put(hash, virtualNode);
                System.out.println("虚拟节点[" + virtualNode + "] hash:" + hash + "，被添加");
            }
        }
    }

    /**
     * 删除节点
     * 
     * @param node
     */
    public static void delNode(Machine node) {
        String host = node.getHost();
        Iterator<Machine> it = realNodes.iterator();
        while(it.hasNext()) {
            Machine machine = it.next();
            if(machine.getHost().equals(host)) {
                it.remove();
                System.out.println("真实节点[" + node + "] 下线移除");
                for (int i = 0; i < node.getMemory().getVrNum(); i++) {
                    String virtualNode = node.getHost() + "&&VN" + i;
                    int hash = getHash(virtualNode);
                    shards.remove(hash);
                    System.out.println("虚拟节点[" + virtualNode + "] hash:" + hash + "，被移除");
                }
            }
        }
    }

    /**
     * FNV1_32_HASH算法
     */
    private static int getHash(String str) {
        final int p = 16777619;
        int hash = (int) 2166136261L;
        for (int i = 0; i < str.length(); i++)
            hash = (hash ^ str.charAt(i)) * p;
        hash += hash << 13;
        hash ^= hash >> 7;
        hash += hash << 3;
        hash ^= hash >> 17;
        hash += hash << 5;
        // 如果算出来的值为负数则取其绝对值
        if (hash < 0)
            hash = Math.abs(hash);
        return hash;
    }

    public static void main(String[] args) {

        // 模拟客户端的请求
        String[] nodes = { "127.0.0.1", "10.9.3.253", "192.168.10.1" };

        for (String node : nodes) {
            System.out.println("[" + node + "]的hash值为" + getHash(node) + ", 被路由到结点[" + getServer(node) + "]");
        }

        // 添加一个节点(模拟服务器上线)
        addNode(new Machine("192.168.1.7", LoadFactor.Memory16G));
        // 删除一个节点（模拟服务器下线）
        delNode(new Machine("192.168.1.1", LoadFactor.Memory8G));

        for (String node : nodes) {
            System.out.println("[" + node + "]的hash值为" + getHash(node) + ", 被路由到结点[" + getServer(node) + "]");
        }
    }
}

/**
 * 机器类
 * 
 * @author yangkuanjun
 *
 */
class Machine {

    private String host;

    private LoadFactor memory;

    public String getHost() {
        return host;
    }

    public void setHost(String host) {
        this.host = host;
    }

    public LoadFactor getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(LoadFactor memory) {
        this.memory = memory;
    }

    public Machine(String host, LoadFactor memory) {
        super();
        this.host = host;
        this.memory = memory;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Machine [host=" + host + ", memory=" + memory + "]";
    }
}

/**
 * 负载因子
 * 
 * @author yangkuanjun
 *
 */
enum LoadFactor {

    Memory8G(5), Memory16G(10), Memory32G(20);

    private int vrNum;

    private LoadFactor(int vrNum) {
        this.vrNum = vrNum;
    }

    public int getVrNum() {
        return vrNum;
    }

}

测试结果：