一致性哈希算法

在了解一致性哈希算法之前，最好先了解一下缓存中的一个应用场景，了解了这个应用场景之后，再来理解一致性哈希算法，就容易多了，也更能体现出一致性哈希算法的优点，那么，我们先来描述一下这个经典的分布式缓存的应用场景

1、场景描述

假设，我们有三台缓存服务器，用于缓存图片，我们为这三台缓存服务器编号为0号、1号、2号，现在，有3万张图片需要缓存，我们希望这些图片被均匀的缓存到这3台服务器上，以便它们能够分摊缓存的压力。也就是说，我们希望每台服务器能够缓存1万张左右的图片，那么，我们应该怎样做呢？如果我们没有任何规律的将3万张图片平均的缓存在3台服务器上，可以满足我们的要求吗？可以！但是如果这样做，当我们需要访问某个缓存项时，则需要遍历3台缓存服务器，从3万个缓存项中找到我们需要访问的缓存，遍历的过程效率太低，时间太长，当我们找到需要访问的缓存项时，时长可能是不能被接收的，也就失去了缓存的意义，缓存的目的就是提高速度，改善用户体验，减轻后端服务器压力，如果每次访问一个缓存项都需要遍历所有缓存服务器的所有缓存项，想想就觉得很累，那么，我们该怎么办呢？原始的做法是对缓存项的键进行哈希，将hash后的结果对缓存服务器的数量进行取模操作，通过取模后的结果，决定缓存项将会缓存在哪一台服务器上，这样说可能不太容易理解，我们举例说明，仍然以刚才描述的场景为例，假设我们使用图片名称作为访问图片的key，假设图片名称是不重复的，那么，我们可以使用如下公式，计算出图片应该存放在哪台服务器上。

hash（图片名称）% N

因为图片的名称是不重复的，所以，当我们对同一个图片名称做相同的哈希计算时，得出的结果应该是不变的，如果我们有3台服务器，使用哈希后的结果对3求余，那么余数一定是0、1或者2，没错，正好与我们之前的服务器编号相同，如果求余的结果为0，我们就把当前图片名称对应的图片缓存在0号服务器上，如果余数为1，就把当前图片名对应的图片缓存在1号服务器上，如果余数为2，同理，那么，当我们访问任意一个图片的时候，只要再次对图片名称进行上述运算，即可得出对应的图片应该存放在哪一台缓存服务器上，我们只要在这一台服务器上查找图片即可，如果图片在对应的服务器上不存在，则证明对应的图片没有被缓存，也不用再去遍历其他缓存服务器了，通过这样的方法，即可将3万张图片随机的分布到3台缓存服务器上了，而且下次访问某张图片时，直接能够判断出该图片应该存在于哪台缓存服务器上，这样就能满足我们的需求了，我们暂时称上述算法为HASH算法或者取模算法，取模算法的过程可以用下图表示

但是，使用上述HASH算法进行缓存时，会出现一些缺陷，试想一下，如果3台缓存服务器已经不能满足我们的缓存需求，那么我们应该怎么做呢？没错，很简单，多增加两台缓存服务器不就行了，假设，我们增加了一台缓存服务器，那么缓存服务器的数量就由3台变成了4台，此时，如果仍然使用上述方法对同一张图片进行缓存，那么这张图片所在的服务器编号必定与原来3台服务器时所在的服务器编号不同，因为除数由3变为了4，被除数不变的情况下，余数肯定不同，这种情况带来的结果就是当服务器数量变动时，所有缓存的位置都要发生改变，换句话说，当服务器数量发生改变时，所有缓存在一定时间内是失效的，当应用无法从缓存中获取数据时，则会向后端服务器请求数据，同理，假设3台缓存中突然有一台缓存服务器出现了故障，无法进行缓存，那么我们则需要将故障机器移除，但是如果移除了一台缓存服务器，那么缓存服务器数量从3台变为2台，如果想要访问一张图片，这张图片的缓存位置必定会发生改变，以前缓存的图片也会失去缓存的作用与意义，由于大量缓存在同一时间失效，造成了缓存雪崩，此时前端缓存已经无法起到承担部分压力的作用，后端服务器将会承受巨大的压力，整个系统很有可能被压垮，所以，我们应该想办法不让这种情况发生，但是由于上述HASH算法本身的缘故，使用取模法进行缓存时，这种情况是无法避免的，为了解决这些问题，一致性哈希算法诞生了。

我们来回顾一下使用上述算法会出现的问题：

问题1：当缓存服务器数量发生变化时，会引起缓存的雪崩，可能会引起整体系统压力过大而崩溃（大量缓存同一时间失效）。

问题2：当缓存服务器数量发生变化时，几乎所有缓存的位置都会发生改变，怎样才能尽量减少受影响的缓存呢？

其实，上面两个问题是一个问题，那么，一致性哈希算法能够解决上述问题吗？我们现在就来了解一下一致性哈希算法

2. 一致性哈希算法的基本概念

其实，一致性哈希算法也是使用取模的方法，只是，刚才描述的取模法是对服务器的数量进行取模，而一致性哈希算法是对 2^32 取模，什么意思呢？

我们慢慢聊。首先，我们把二的三十二次方想象成一个圆，就像钟表一样，钟表的圆可以理解成由60个点组成的圆，而此处我们把这个圆想象成由2^32个点组成的圆

示意图如下：

圆环的正上方的点代表0，0点右侧的第一个点代表1，以此类推，2、3、4、5、6……直到2^32-1, 也就是说0点左侧的第一个点代表2^32-1
我们把这个由2的32次方个点组成的圆环称为 hash环。

那么，一致性哈希算法与上图中的圆环有什么关系呢？我们继续聊，仍然以之前描述的场景为例，假设我们有3台缓存服务器，服务器A、服务器B、服务器C，那么，在生产环境中，这三台服务器肯定有自己的IP地址，我们使用它们各自的IP地址进行哈希计算，使用哈希后的结果对2^32取模，可以使用如下公式示意。

hash（服务器A的IP地址） % 2^32

通过上述公式算出的结果一定是一个0到2^32-1之间的一个整数，我们就用算出的这个整数，代表服务器A，既然这个整数肯定处于0到2^32-1之间，那么，上图中的hash环上必定有一个点与这个整数对应，而我们刚才已经说明，使用这个整数代表服务器A，那么，服务器A就可以映射到这个环上，用下图示意：

同理，服务器B与服务器C也可以通过相同的方法映射到上图中的hash环中：

hash（服务器B的IP地址） % 2^32
hash（服务器C的IP地址） % 2^32

通过上述方法，可以将服务器B与服务器C映射到上图中的hash环上，示意图如下：

假设3台服务器映射到hash环上以后如上图所示（当然，这是理想的情况）。

好了，到目前为止，我们已经把缓存服务器与hash环联系在了一起，通过上述方法，把缓存服务器映射到了hash环上，

那么使用同样方法，我们也可以将需要缓存的对象，比如说图片映射到hash环上。

假设，我们需要使用缓存服务器缓存图片，而且我们仍然使用图片的名称作为找到图片的key，那么我们使用如下公式可以将图片映射到上图中的hash环上。

hash（图片名称） % 2^32

映射后的示意图如下，下图中的橘黄色圆形表示图片：

好了，现在服务器与图片都被映射到了hash环上，那么上图中的这个图片到底应该被缓存到哪一台服务器上呢？

上图中的图片将会被缓存到服务器A上，为什么呢？因为从图片的位置开始，沿顺时针方向遇到的第一个服务器就是A服务器，所以，上图中的图片将会被缓存到服务器A上

如下图所示：

没错，一致性哈希算法就是通过这种方法，判断一个对象应该被缓存到哪台服务器上的，

将缓存服务器与被缓存对象都映射到hash环上以后，从被缓存对象的位置出发，沿顺时针方向遇到的第一个服务器，就是当前对象将要缓存于的服务器，

由于被缓存对象与服务器hash后的值是固定的，所以，在服务器不变的情况下，一张图片必定会被缓存到固定的服务器上，

那么，当下次想要访问这张图片时，只要再次使用相同的算法进行计算，即可算出这个图片被缓存在哪个服务器上，直接去对应的服务器查找对应的图片即可。

刚才的示例只使用了一张图片进行演示，假设有四张图片需要缓存，示意图如下：

1号、2号图片将会被缓存到服务器A上，3号图片将会被缓存到服务器B上，4号图片将会被缓存到服务器C上。

3. 一致性哈希算法的优点

经过上述描述，你应该已经明白了一致性哈希算法的原理了，但是话说回来，一致性哈希算法能够解决之前出现的问题吗，

我们说过，如果简单的对服务器数量进行取模，那么当服务器数量发生变化时，会产生缓存雪崩，从而很有可能导致系统崩溃，那么使用一致性哈希算法，能够避免该问题吗？

我们来模拟一遍，即可得到答案。

假设，服务器B出现了故障，我们现在需要将服务器B移除，那么，我们将上图中的服务器B从hash环上移除即可，移除服务器B以后示意图如下。

在服务器B未移除时，图片3应该被缓存到服务器B中，可是当服务器B移除以后，按照之前描述的一致性哈希算法的规则，图片3应该被缓存到服务器C中，

因为从图片3的位置出发，沿顺时针方向遇到的第一个缓存服务器节点就是服务器C，也就是说，如果服务器B出现故障被移除时，图片3的缓存位置会发生改变。

但是，图片4仍然会被缓存到服务器C中，图片1与图片2仍然会被缓存到服务器A中，这与服务器B移除之前并没有任何区别，这就是一致性哈希算法的优点

如果使用之前的普通hash算法，服务器数量发生改变时，所有服务器的所有缓存在同一时间失效了，

而使用一致性哈希算法时，服务器的数量如果发生改变，并不是所有缓存都会失效，而是只有部分缓存会失效，

前端的缓存仍然能分担整个系统的压力，而不至于所有压力都在同一时间集中到后端服务器上。

这就是一致性哈希算法所体现出的优点

4. hash环的偏斜

在介绍一致性哈希的概念时，我们理想化的将3台服务器均匀的映射到了hash环上，如下图所示：

但是，理想很丰满，现实很骨感，我们想象的与实际情况往往不一样, 在实际的映射中，服务器可能会被映射成如下模样。

聪明如你一定想到了，如果服务器被映射成上图中的模样，那么被缓存的对象很有可能大部分集中缓存在某一台服务器上，如下图所示。

上图中，1号、2号、3号、4号、6号图片均被缓存在了服务器A上，只有5号图片被缓存在了服务器B上，服务器C上甚至没有缓存任何图片，如果出现上图中的情况，A、B、C三台服务器并没有被合理的平均的充分利用，缓存分布的极度不均匀，而且，如果此时服务器A出现故障，那么失效缓存的数量也将达到最大值，在极端情况下，仍然有可能引起系统的崩溃，上图中的情况则被称之为hash环的偏斜，那么，我们应该怎样防止hash环的偏斜呢？一致性hash算法中使用 “虚拟节点” 解决了这个问题，我们继续聊。

5.虚拟节点

话接上文，由于我们只有3台服务器，当我们把服务器映射到hash环上的时候，很有可能出现hash环偏斜的情况，当hash环偏斜以后，缓存往往会极度不均衡的分布在各服务器上，聪明如你一定已经想到了，如果想要均衡的将缓存分布到3台服务器上，最好能让这3台服务器尽量多的、均匀的出现在hash环上，但是，真实的服务器资源只有3台，我们怎样凭空的让它们多起来呢，没错，就是凭空的让服务器节点多起来，既然没有多余的真正的物理服务器节点，我们就只能将现有的物理节点通过虚拟的方法复制出来，这些由实际节点虚拟复制而来的节点被称为”虚拟节点”。加入虚拟节点以后的hash环如下。

虚拟节点”是”实际节点”（实际的物理服务器）在hash环上的复制品,一个实际节点可以对应多个虚拟节点。

　　从上图可以看出，A、B、C三台服务器分别虚拟出了一个虚拟节点，当然，如果你需要，也可以虚拟出更多的虚拟节点。引入虚拟节点的概念后，缓存的分布就均衡多了，上图中，1号、3号图片被缓存在服务器A中，5号、4号图片被缓存在服务器B中，6号、2号图片被缓存在服务器C中，如果你还不放心，可以虚拟出更多的虚拟节点，以便减小hash环偏斜所带来的影响，虚拟节点越多，hash环上的节点就越多，缓存被均匀分布的概率就越大。

6、实例总结：

6.1 为什么普通的Hash算法不行？

普通的 hash 算法通常都是对机器数量进行取余，比如集群环境中有 3 台 redis，当我们放入对象的时，通常是对 3 进行取余。这种做法在大部分情况下是没有问题的。

但是，注意：如果缓存机器需要增减，问题就来了

假设原本是 3 个 redis，这时候，加了一台 redis，那么取余算法就变成了取余 4

这样有什么问题呢？

答：当使用负载均衡时，负载均衡器根据对象的 key 对机器数进行取余，这时，原有的 key 取余是针对机器数3的值，现有的机器数 4 就找不到那台机器了！

笨一点的办法，就是在增加机器的时候，清除所有缓存，但这会导致缓存击穿甚至缓存雪崩，严重情况下引发 DB 宕机。

6.2. 一致性 hash 怎么解决这个问题？

很简单，既然问题出在对机器取余上，那么就不对机器取余

具体怎么做呢？

答：我们假设有一个 2 的 32 次方的环形，节点主机以及需要缓存的对象都通过 hash 落在hash环上。但很大的几率是对象 hash 不到缓存节点的。怎么办呢？

找离他最近的那个节点。 比如顺时针找前面那个节点。

能解决问题吗？

想象一下：当增减机器时，环形节点变化只会影响一个节点，就是新节点的顺时针方向前面的节点。这时，我们只需清除那一个节点的数据就足够了，不用像取余 hash 那样，清除所有节点的数据。

具体类似于下图：

上图中，节点中的五角星代表对象，红绿黄代表节点，每个对象都会找他的上一个节点。如有增减，只影响一个节点。

6.3. 一致性 hash 有什么问题呢？

是否这么做就完美了呢？

不是的。

如果认真看是上面的图的话，会发现，黄色节点的负载压力最大，这个集群环境负载不够均衡。

什么原因导致的呢？原因是：如果缓存节点分布不均匀，就会出现这样的情况。但是，你不能奢望是均匀的。

怎么办呢？

我们可以在不均的地方给他弄均匀。在空闲的地方加入虚拟节点，这些节点的数据映射到真实节点上，就可以了，如下图所示：

图中，我们给每个节点都做了虚拟节点（虚线），从而让整个集群在 hash 环比较均匀，从图中也可看出，这样现对比之前均匀多了，黄色节点的负载和绿色节点额的负载相同。

7、实例解说

7.1普通 hash 的结果

1、实际存储对象，很简单的一个类，只需要获取他的 hash 值就好：

static class Obj {
    String key;

    Obj(String key) {
      this.key = key;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
      return key.hashCode();
    }

    @Override
    public String toString() {
      return "Obj{" +"key='" + key + '\'' + '}';
    }
  }

2、缓存对象到节点上，用于存储实际对象：

static class Node {

    Map<Integer, Obj> node = new HashMap<>();  //节点上缓存的对象
    String name;   //节点名

    Node(String name) {
      this.name = name;
    }

    public void putObj(Obj obj) {
       node.put(obj.hashCode(), obj);
    }

    Obj getObj(Obj obj) {
      return node.get(obj.hashCode());
    }

    @Override
    public int hashCode() {
      return name.hashCode();
    }
  }

3、缓存节点集合，用于保存有效的缓存节点

static class NodeArray {

    Node[] nodes = new Node[1024];
    int size = 0;

    public void addNode(Node node) {
      nodes[size++] = node;
    }

    Obj get(Obj obj) {
      int index = obj.hashCode() % size;
      return nodes[index].getObj(obj);
    }

    void put(Obj obj) {
      int index = obj.hashCode() % size;
      nodes[index].putObj(obj);
    }
  }

内部一个数组，取数据时，通过取余机器数量获取缓存节点，再从节点中取出数据

4、测试：当增减节点时，还能不能找到原有数据：

/**
   * 验证普通 hash 对于增减节点，原有会不会出现移动。
   */
  public static void main(String[] args) {

    NodeArray nodeArray = new NodeArray();

    Node[] nodes = {
        new Node("Node--> 1"),
        new Node("Node--> 2"),
        new Node("Node--> 3")
    };

    for (Node node : nodes) {
        nodeArray.addNode(node);
    }

    Obj[] objs = {
        new Obj("1"),
        new Obj("2"),
        new Obj("3"),
        new Obj("4"),
        new Obj("5")
    };

    for (Obj obj : objs) {
       nodeArray.put(obj);
    }

    validate(nodeArray, objs);
  }

  private static void validate(NodeArray nodeArray, Obj[] objs) {
    for (Obj obj : objs) {
      System.out.println(nodeArray.get(obj));
    }

    nodeArray.addNode(new Node("anything1"));
    nodeArray.addNode(new Node("anything2"));

    System.out.println("========== after  =============");

    for (Obj obj : objs) {
      System.out.println(nodeArray.get(obj));
    }
  }

测试步骤如下：

向集合中添加 3 个节点。
向 集群 中添加 5 个对象，这 5 个对象会根据 hash 值散列到不同的节点中。
打印 未增减前 的数据。
打印 增加 2 个节点 后数据，看看还能不能访问到数据。

一个都访问不到了。这就是普通的取余的缺点，在增减机器的情况下，这种结果无法接收。

7.2一致性 Hash 的结果

缓存节点对象和实际保存对象不用更改，改的是什么？

改的是保存对象的方式和取出对象的方式，也就是不使用对机器进行取余的算法

新的 NodeArray 对象如下：

static class NodeArray {

/** 按照 键 排序*/
TreeMap<Integer, Node>  nodes = new TreeMap<>();

void addNode(Node node) {
    nodes.put(node.hashCode(), node);
}

void put(Obj obj) {
  int objHashcode = obj.hashCode();
  Node node = nodes.get(objHashcode);
  if (node != null) {
     node.putObj(obj);
     return;
  }

  // 找到比给定 key 大的集合
  SortedMap<Integer, Node> tailMap = nodes.tailMap(objHashcode);
  // 找到最小的节点
  int nodeHashcode = tailMap.isEmpty() ? nodes.firstKey() : tailMap.firstKey();
  nodes.get(nodeHashcode).putObj(obj);
}

Obj get(Obj obj) {
  Node node = nodes.get(obj.hashCode());
  if (node != null) {
    return node.getObj(obj);
  }

  // 找到比给定 key 大的集合
  SortedMap<Integer, Node> tailMap = nodes.tailMap(obj.hashCode());
  // 找到最小的节点
  int nodeHashcode = tailMap.isEmpty() ? nodes.firstKey() : tailMap.firstKey();
  return nodes.get(nodeHashcode).getObj(obj);
   }
}

该类和之前的类的不同之处在于：

内部没有使用数组，而是使用了有序 Map。
put 方法中，对象如果没有落到缓存节点上，就找比他小的节点且离他最近的。这里我们使用了 TreeMap 的 tailMap 方法，具体 API 可以看文档。
get 方法中，和 put 步骤相同，否则是取不到对象的。

具体寻找节点的方式如图：

相同的测试用例，执行结果如下：

posted @ 2019-06-11 14:44 jkqiang 阅读(356) 评论(0) 编辑收藏举报

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jkqiang

生命不止，奋斗不息