【转】一致性hash算法与server列表维护

  考虑到不用重复造轮子，特此转载好文，出处http://shift-alt-ctrl.iteye.com/blog/1963244

    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.

 

F1

    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.

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){
                //
            }
        }
    }
}