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C++如何实现一致性算法

2024-05-30 19
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简介： 一致性哈希是一种用于分布式系统的负载均衡算法，旨在减少服务器增减导致的数据迁移。当有N台服务器时，通过哈希环将请求均匀分布到每台服务器，每台处理N/1的请求。若使用缓存如Redis，可进一步处理高并发场景。算法将哈希值空间视为环形，服务器和请求哈希后定位到环上，按顺时针方向找到第一台服务器作为负载目标。提供的C++代码实现了MD5哈希函数，以及一致性哈希算法的物理节点、虚拟节点和算法本身，以实现节点的添加、删除和请求映射。

一致性哈希算法

常用负载均衡算法：轮询、按权重、一致性哈希

分布式系统负载均衡的首选算法(consisten Hashing)

负载场景：

接入机后端带N台服务器，接入机收到请求将请求均匀的分发到每台服务器上。

每台服务器需要处理N/1的请求

pimMdKS.png

如何解决用户数据缓存的问题？

我们如果现在的Server1上有Cleint 1的缓存数据，但是第二次请求被发送到了Server2上面，而Server2上并没有Cleint1的数据。这个时候就需要使用远程的缓存服务器redis来解决这个问题，而不是在服务器1里面取数据。

如果是大流量，高并发场景呢？

那我们可以使用redis服务器做集群部署，让用户的数据均匀的分发到集群的每一台服务器上。

总结：一个良好的分布式哈希方案应该具有良好的单调性，即服务的结点的增减不会导致大量哈希的重新定位。

算法描述

  1. 一致性哈希算法将整个哈希值空间理解成一个环，取值范围是0~2^32-1，也就是4GB的空间
  2. 将所有的服务器进行哈希，都落在一致性哈希环上
  3. 进行负载时，先将哈希输入值得到一致性哈希环上的一个哈希值，然后沿着顺时针，遇到的第一台服务器就是最终的负载到的服务器

算法实现

主要是一致性哈希算法的代码实现

md5算法

我们所需要的md5算法的核心代码实现

md5.h


/* typedef a 32 bit type */
typedef unsigned long int UINT4;

/* Data structure for MD5 (Message Digest) computation */
typedef struct {
    UINT4 i[2];                   /* number of _bits_ handled mod 2^64 */
    UINT4 buf[4];                                    /* scratch buffer */
    unsigned char in[64];                              /* input buffer */
    unsigned char digest[16];     /* actual digest after MD5Final call */
} MD5_CTX;

void MD5Init(MD5_CTX* mdContext);
void MD5Update(MD5_CTX* mdContext, unsigned char* inBuf, unsigned int inLen);
void MD5Final(MD5_CTX* mdContext);
static void Transform(UINT4* buf, UINT4* in);
// 指定一个文件的路径path，根据文件内容计算出一个md5加密串
char* MD5_file(const char* path, int md5_len=32);
// 从原始的字符串，得到加密后的md5串
char* MD5(const char* buf, int md5_len = 32);
// 把32位的md5串，处理成unsigned int返回
unsigned int getMD5(const char* buf);

md5.cc

#include "md5.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>


/* forward declaration */
static void Transform();

static unsigned char PADDING[64] = {
    0x80, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00
};

/* F, G and H are basic MD5 functions: selection, majority, parity */
#define F(x, y, z) (((x) & (y)) | ((~x) & (z)))
#define G(x, y, z) (((x) & (z)) | ((y) & (~z)))
#define H(x, y, z) ((x) ^ (y) ^ (z))
#define I(x, y, z) ((y) ^ ((x) | (~z))) 

/* ROTATE_LEFT rotates x left n bits */
#define ROTATE_LEFT(x, n) (((x) << (n)) | ((x) >> (32-(n))))

/* FF, GG, HH, and II transformations for rounds 1, 2, 3, and 4 */
/* Rotation is separate from addition to prevent recomputation */
#define FF(a, b, c, d, x, s, ac) \
  {(a) += F ((b), (c), (d)) + (x) + (UINT4)(ac); \
   (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \
   (a) += (b); \
  }
#define GG(a, b, c, d, x, s, ac) \
      {(a) += G ((b), (c), (d)) + (x) + (UINT4)(ac); \
   (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \
   (a) += (b); \
      }
#define HH(a, b, c, d, x, s, ac) \
      {(a) += H ((b), (c), (d)) + (x) + (UINT4)(ac); \
   (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \
   (a) += (b); \
      }
#define II(a, b, c, d, x, s, ac) \
      {(a) += I ((b), (c), (d)) + (x) + (UINT4)(ac); \
   (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \
   (a) += (b); \
      }

void MD5Init(MD5_CTX* mdContext)
{
    mdContext->i[0] = mdContext->i[1] = (UINT4)0;

    /* Load magic initialization constants.
    */
    mdContext->buf[0] = (UINT4)0x67452301;
    mdContext->buf[1] = (UINT4)0xefcdab89;
    mdContext->buf[2] = (UINT4)0x98badcfe;
    mdContext->buf[3] = (UINT4)0x10325476;
}

void MD5Update(MD5_CTX* mdContext, unsigned char* inBuf, unsigned int inLen)
{
    UINT4 in[16];
    int mdi;
    unsigned int i, ii;

    /* compute number of bytes mod 64 */
    mdi = (int)((mdContext->i[0] >> 3) & 0x3F);

    /* update number of bits */
    if ((mdContext->i[0] + ((UINT4)inLen << 3)) < mdContext->i[0])
        mdContext->i[1]++;
    mdContext->i[0] += ((UINT4)inLen << 3);
    mdContext->i[1] += ((UINT4)inLen >> 29);

    while (inLen--) {
        /* add new character to buffer, increment mdi */
        mdContext->in[mdi++] = *inBuf++;

        /* transform if necessary */
        if (mdi == 0x40) {
            for (i = 0, ii = 0; i < 16; i++, ii += 4)
                in[i] = (((UINT4)mdContext->in[ii + 3]) << 24) |
                (((UINT4)mdContext->in[ii + 2]) << 16) |
                (((UINT4)mdContext->in[ii + 1]) << 8) |
                ((UINT4)mdContext->in[ii]);
            Transform(mdContext->buf, in);
            mdi = 0;
        }
    }
}

void MD5Final(MD5_CTX* mdContext)

{
    UINT4 in[16];
    int mdi;
    unsigned int i, ii;
    unsigned int padLen;

    /* save number of bits */
    in[14] = mdContext->i[0];
    in[15] = mdContext->i[1];

    /* compute number of bytes mod 64 */
    mdi = (int)((mdContext->i[0] >> 3) & 0x3F);

    /* pad out to 56 mod 64 */
    padLen = (mdi < 56) ? (56 - mdi) : (120 - mdi);
    MD5Update(mdContext, PADDING, padLen);
    /* append length in bits and transform */
    for (i = 0, ii = 0; i < 14; i++, ii += 4)
        in[i] = (((UINT4)mdContext->in[ii + 3]) << 24) |
        (((UINT4)mdContext->in[ii + 2]) << 16) |
        (((UINT4)mdContext->in[ii + 1]) << 8) |
        ((UINT4)mdContext->in[ii]);
    Transform(mdContext->buf, in);

    /* store buffer in digest */
    for (i = 0, ii = 0; i < 4; i++, ii += 4) {
        mdContext->digest[ii] = (unsigned char)(mdContext->buf[i] & 0xFF);
        mdContext->digest[ii + 1] =
            (unsigned char)((mdContext->buf[i] >> 8) & 0xFF);
        mdContext->digest[ii + 2] =
            (unsigned char)((mdContext->buf[i] >> 16) & 0xFF);
        mdContext->digest[ii + 3] =
            (unsigned char)((mdContext->buf[i] >> 24) & 0xFF);
    }
}

/* Basic MD5 step. Transform buf based on in.
*/
static void Transform(UINT4* buf, UINT4* in)
{
    UINT4 a = buf[0], b = buf[1], c = buf[2], d = buf[3];

    /* Round 1 */
#define S11 7
#define S12 12
#define S13 17
#define S14 22
    FF(a, b, c, d, in[0], S11, 3614090360); /* 1 */
    FF(d, a, b, c, in[1], S12, 3905402710); /* 2 */
    FF(c, d, a, b, in[2], S13, 606105819); /* 3 */
    FF(b, c, d, a, in[3], S14, 3250441966); /* 4 */
    FF(a, b, c, d, in[4], S11, 4118548399); /* 5 */
    FF(d, a, b, c, in[5], S12, 1200080426); /* 6 */
    FF(c, d, a, b, in[6], S13, 2821735955); /* 7 */
    FF(b, c, d, a, in[7], S14, 4249261313); /* 8 */
    FF(a, b, c, d, in[8], S11, 1770035416); /* 9 */
    FF(d, a, b, c, in[9], S12, 2336552879); /* 10 */
    FF(c, d, a, b, in[10], S13, 4294925233); /* 11 */
    FF(b, c, d, a, in[11], S14, 2304563134); /* 12 */
    FF(a, b, c, d, in[12], S11, 1804603682); /* 13 */
    FF(d, a, b, c, in[13], S12, 4254626195); /* 14 */
    FF(c, d, a, b, in[14], S13, 2792965006); /* 15 */
    FF(b, c, d, a, in[15], S14, 1236535329); /* 16 */

    /* Round 2 */
#define S21 5
#define S22 9
#define S23 14
#define S24 20
    GG(a, b, c, d, in[1], S21, 4129170786); /* 17 */
    GG(d, a, b, c, in[6], S22, 3225465664); /* 18 */
    GG(c, d, a, b, in[11], S23, 643717713); /* 19 */
    GG(b, c, d, a, in[0], S24, 3921069994); /* 20 */
    GG(a, b, c, d, in[5], S21, 3593408605); /* 21 */
    GG(d, a, b, c, in[10], S22, 38016083); /* 22 */
    GG(c, d, a, b, in[15], S23, 3634488961); /* 23 */
    GG(b, c, d, a, in[4], S24, 3889429448); /* 24 */
    GG(a, b, c, d, in[9], S21, 568446438); /* 25 */
    GG(d, a, b, c, in[14], S22, 3275163606); /* 26 */
    GG(c, d, a, b, in[3], S23, 4107603335); /* 27 */
    GG(b, c, d, a, in[8], S24, 1163531501); /* 28 */
    GG(a, b, c, d, in[13], S21, 2850285829); /* 29 */
    GG(d, a, b, c, in[2], S22, 4243563512); /* 30 */
    GG(c, d, a, b, in[7], S23, 1735328473); /* 31 */
    GG(b, c, d, a, in[12], S24, 2368359562); /* 32 */

    /* Round 3 */
#define S31 4
#define S32 11
#define S33 16
#define S34 23
    HH(a, b, c, d, in[5], S31, 4294588738); /* 33 */
    HH(d, a, b, c, in[8], S32, 2272392833); /* 34 */
    HH(c, d, a, b, in[11], S33, 1839030562); /* 35 */
    HH(b, c, d, a, in[14], S34, 4259657740); /* 36 */
    HH(a, b, c, d, in[1], S31, 2763975236); /* 37 */
    HH(d, a, b, c, in[4], S32, 1272893353); /* 38 */
    HH(c, d, a, b, in[7], S33, 4139469664); /* 39 */
    HH(b, c, d, a, in[10], S34, 3200236656); /* 40 */
    HH(a, b, c, d, in[13], S31, 681279174); /* 41 */
    HH(d, a, b, c, in[0], S32, 3936430074); /* 42 */
    HH(c, d, a, b, in[3], S33, 3572445317); /* 43 */
    HH(b, c, d, a, in[6], S34, 76029189); /* 44 */
    HH(a, b, c, d, in[9], S31, 3654602809); /* 45 */
    HH(d, a, b, c, in[12], S32, 3873151461); /* 46 */
    HH(c, d, a, b, in[15], S33, 530742520); /* 47 */
    HH(b, c, d, a, in[2], S34, 3299628645); /* 48 */

    /* Round 4 */
#define S41 6
#define S42 10
#define S43 15
#define S44 21
    II(a, b, c, d, in[0], S41, 4096336452); /* 49 */
    II(d, a, b, c, in[7], S42, 1126891415); /* 50 */
    II(c, d, a, b, in[14], S43, 2878612391); /* 51 */
    II(b, c, d, a, in[5], S44, 4237533241); /* 52 */
    II(a, b, c, d, in[12], S41, 1700485571); /* 53 */
    II(d, a, b, c, in[3], S42, 2399980690); /* 54 */
    II(c, d, a, b, in[10], S43, 4293915773); /* 55 */
    II(b, c, d, a, in[1], S44, 2240044497); /* 56 */
    II(a, b, c, d, in[8], S41, 1873313359); /* 57 */
    II(d, a, b, c, in[15], S42, 4264355552); /* 58 */
    II(c, d, a, b, in[6], S43, 2734768916); /* 59 */
    II(b, c, d, a, in[13], S44, 1309151649); /* 60 */
    II(a, b, c, d, in[4], S41, 4149444226); /* 61 */
    II(d, a, b, c, in[11], S42, 3174756917); /* 62 */
    II(c, d, a, b, in[2], S43, 718787259); /* 63 */
    II(b, c, d, a, in[9], S44, 3951481745); /* 64 */

    buf[0] += a;
    buf[1] += b;
    buf[2] += c;
    buf[3] += d;
}


char* MD5_file(const char* path, int md5_len)
{
    FILE* fp = fopen(path, "rb");
    MD5_CTX mdContext;
    int bytes;
    unsigned char data[1024];
    char* file_md5;
    int i;

    if (fp == NULL) {
        fprintf(stderr, "fopen %s failed\n", path);
        return NULL;
    }

    MD5Init(&mdContext);
    while ((bytes = fread(data, 1, 1024, fp)) != 0)
    {
        MD5Update(&mdContext, data, bytes);
    }
    MD5Final(&mdContext);

    file_md5 = (char*)malloc((md5_len + 1) * sizeof(char));
    if (file_md5 == NULL)
    {
        fprintf(stderr, "malloc failed.\n");
        return NULL;
    }
    memset(file_md5, 0, (md5_len + 1));

    if (md5_len == 16)
    {
        for (i = 4; i < 12; i++)
        {
            sprintf(&file_md5[(i - 4) * 2], "%02x", mdContext.digest[i]);
        }
    }
    else if (md5_len == 32)
    {
        for (i = 0; i < 16; i++)
        {
            sprintf(&file_md5[i * 2], "%02x", mdContext.digest[i]);
        }
    }
    else
    {
        fclose(fp);
        free(file_md5);
        return NULL;
    }
    fclose(fp);
    return file_md5;
}

char* MD5(const char* buf, int md5_len)
{
    MD5_CTX mdContext;
    int bytes;
    unsigned char data[1024];
    char* file_md5;
    int i;

    MD5Init(&mdContext);
    MD5Update(&mdContext, (unsigned char*)buf, strlen(buf));
    MD5Final(&mdContext);

    file_md5 = (char*)malloc((md5_len + 1) * sizeof(char));
    if (file_md5 == NULL)
    {
        fprintf(stderr, "malloc failed.\n");
        return NULL;
    }
    memset(file_md5, 0, (md5_len + 1));

    if (md5_len == 16)
    {
        for (i = 4; i < 12; i++)
        {
            sprintf(&file_md5[(i - 4) * 2], "%02x", mdContext.digest[i]);
        }
    }
    else if (md5_len == 32)
    {
        for (i = 0; i < 16; i++)
        {
            sprintf(&file_md5[i * 2], "%02x", mdContext.digest[i]);
        }
    }
    else
    {
        free(file_md5);
        return NULL;
    }
    return file_md5;
}

unsigned int getMD5(const char* buf)
{
    char* b = MD5(buf);
    unsigned int hash = 0;

    // 共32位的加密串 8个字符  4组
    // 5f93f983524def3dca464469d2cf9f3e
    for (int i = 0; i < 8; i++)
    {
        hash += ((int)(b[i * 4 + 3] & 0xFF) << 24)
            | ((int)(b[i * 4 + 2] & 0xFF) << 16)
            | ((int)(b[i * 4 + 1] & 0xFF) << 8)
            | ((int)(b[i * 4 + 0] & 0xFF));
    }

    return hash;
}

生成物理结点

// 物理节点
class PhscialHost
{
public:
    PhscialHost(string ip, int vnumber)
        : ip_(ip)
    {
        for (int i = 0; i < vnumber; i++)
        {
            // 虚拟节点需要一个ip，还需要记录它属于哪个物理节点
            virtualHosts_.emplace_back(
                ip + "#" + ::to_string(i),
                this
            );
        }
    }

    string getIP() const
    {
        return ip_;
    }

    const list<VirtualHost>& getVirtualHosts() const
    {
        return virtualHosts_;
    }
private:
    string ip_;  // 物理机器的ip地址
    list<VirtualHost> virtualHosts_;   // 存储虚拟节点列表
};

虚拟结点

class VirtualHost
{
public:
    VirtualHost(string ip, PhscialHost* p)
        : ip_(ip)
        , phscialHost_(p)
    {
        md5_ = ::getMD5(ip_.c_str());
    }

    bool operator<(const VirtualHost& host) const
    {
        return md5_ < host.md5_;
    }

    bool operator==(const VirtualHost& host) const
    {
        return ip_ == host.ip_;
    }

    uint getMD5() const
    {
        return md5_;
    }

    const PhscialHost* getPhscialHost() const
    {
        return phscialHost_;
    }

private:
    string ip_;    // 虚拟节点的ip信息
    uint md5_;      // 虚拟节点在一致性哈希环上的位置
    PhscialHost* phscialHost_; // 虚拟节点隶属的物理节点
};

一致性哈希算法实现

// 一致性哈希算法代码实现
class ConsistentHash
{
public:
    // 在一致性哈希环上添加物理主机的虚拟节点
    void addHost(PhscialHost& host)
    {
        // 获取物理主机所有的虚拟节点列表
        auto list = host.getVirtualHosts();
        for (auto host : list)
        {
            hashCircle_.insert(host);
        }
    }

    // 在一致性哈希环上删除物理主机的虚拟节点
    void delHost(PhscialHost& host)
    {
        // 获取物理主机所有的虚拟节点列表
        auto list = host.getVirtualHosts();
        for (auto host : list)
        {
            auto it = hashCircle_.find(host);
            if (it != hashCircle_.end())
            {
                // 在一致性哈希环上删除所有物理主机对应的虚拟节点
                hashCircle_.erase(it);
            }
        }
    }

    // 返回负载的真实物理主机的ip信息
    string getHost(string clientip) const
    {
        uint md5 = getMD5(clientip.c_str());
        for (auto vhost : hashCircle_)
        {
            if (vhost.getMD5() > md5)
            {
                return vhost.getPhscialHost()->getIP();
            }
        }

        // 映射从0开始遇见的第一个虚拟节点
        return hashCircle_.begin()->getPhscialHost()->getIP();
    }
private:
    set<VirtualHost> hashCircle_;  // 一致性哈希环
};

输出

pim5NWQ.png

文章标签：
算法
C++
缓存
NoSQL
负载均衡
关键词：
C++算法
算法c++
HashMap
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