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一致性哈希算法的应用及实现

简介: 一致性哈希算法(Consistent Hashing Algorithm)是一种分布式算法, 由MIT的Karger及其合作者提出,现在这一思想已经扩展到其它领域。 1997年发表的学术论文中介绍了“一致性哈希”如何应用于用户易变的分布式Web服务中。

一致性哈希算法(Consistent Hashing Algorithm)是一种分布式算法,
由MIT的Karger及其合作者提出,现在这一思想已经扩展到其它领域。
1997年发表的学术论文中介绍了“一致性哈希”如何应用于用户易变的分布式Web服务中。
一致性哈希可用于实现健壮缓存来减少大型Web应用中系统部分失效带来的负面影响。(维基百科)


hash算法的单调性

Hash 算法的一个衡量指标是单调性( Monotonicity ),定义如下:
单调性是指如果已经有一些内容通过哈希分派到了相应的缓冲中,又有新的缓冲加入到系统中。哈希的结果应能够保证原有已分配的内容可以被映射到新的缓冲中去,而不会被映射到旧的缓冲集合中的其他缓冲区。


一致性哈希算法

一致性哈希是一种特殊的哈希算法。在使用一致性哈希算法后,哈希表槽位数(大小)的改变平均只需要对K/n 个关键字重新映射,

其中 K是关键字的数量,n是槽位数量。然而在传统的哈希表中,添加或删除一个槽位的几乎需要对所有关键字进行重新映射。(维基百科)

一致性哈希算法是分布式系统中常用的算法。一个分布式的存储系统,要将数据存储到具体的节点上,如果采用普通的hash方法,将数据映射到具体的节点上,如key%N,key是数据的key,N是机器节点数,

如果有一个机器加入或退出这个集群,则所有的数据映射都无效了,如果是持久化存储则要做数据迁移,如果是分布式缓存,则其他缓存就失效了。

针对这种情况,可以使用一致性哈希。

注意一致性哈希算法并不是完全避免了增删节点时的数据迁移,而是把需要迁移的数据降到最小,特别是相比简单取模的哈希算法。

下面的描述摘自五分钟理解一致性哈希算法(consistent hashing)

 

环形Hash空间
按照常用的hash算法来将对应的key哈希到一个具有2^32次方个桶的空间中,即0~(2^32)-1的数字空间中。现在我们可以将这些数字头尾相连,想象成一个闭合的环形。如下图
                                                                         
把数据通过一定的hash算法处理后映射到环上
现在我们将object1、object2、object3、object4四个对象通过特定的Hash函数计算出对应的key值,然后散列到Hash环上。如下图:
    Hash(object1) = key1;
    Hash(object2) = key2;
    Hash(object3) = key3;
    Hash(object4) = key4;
                                                           
将机器通过hash算法映射到环上
在采用一致性哈希算法的分布式集群中将新的机器加入,其原理是通过使用与对象存储一样的Hash算法将机器也映射到环中(一般情况下对机器的hash计算是采用机器的IP或者机器唯一的别名作为输入值),然后以顺时针的方向计算,将所有对象存储到离自己最近的机器中。
假设现在有NODE1,NODE2,NODE3三台机器,通过Hash算法得到对应的KEY值,映射到环中,其示意图如下:
Hash(NODE1) = KEY1;
Hash(NODE2) = KEY2;
Hash(NODE3) = KEY3;
                                                             
通过上图可以看出对象与机器处于同一哈希空间中,这样按顺时针转动object1存储到了NODE1中,object3存储到了NODE2中,object2、object4存储到了NODE3中。在这样的部署环境中,hash环是不会变更的,因此,通过算出对象的hash值就能快速的定位到对应的机器中,这样就能找到对象真正的存储位置了。
 
机器的删除与添加
普通hash求余算法最为不妥的地方就是在有机器的添加或者删除之后会照成大量的对象存储位置失效,这样就大大的不满足单调性了。下面来分析一下一致性哈希算法是如何处理的。
1. 节点(机器)的删除
    以上面的分布为例,如果NODE2出现故障被删除了,那么按照顺时针迁移的方法,object3将会被迁移到NODE3中,这样仅仅是object3的映射位置发生了变化,其它的对象没有任何的改动。如下图:
                                                              
2. 节点(机器)的添加 
    如果往集群中添加一个新的节点NODE4,通过对应的哈希算法得到KEY4,并映射到环中,如下图:
                                                              
    通过按顺时针迁移的规则,那么object2被迁移到了NODE4中,其它对象还保持这原有的存储位置。通过对节点的添加和删除的分析,一致性哈希算法在保持了单调性的同时,还是数据的迁移达到了最小,这样的算法对分布式集群来说是非常合适的,避免了大量数据迁移,减小了服务器的的压力。

可以看出,一致性哈希实际上是对数据和节点同时做了哈希,

然后通过一个环形的地址空间找到对应的映射,避免了节点增删时的大量的地址变动。


一致性哈希在Memcached等分布式缓存配置中的应用

一致性哈希算法解决了取模操作无法应对增删Memcached Server的问题,

增删server会导致同一个key,在get操作时分配不到数据真正存储的server,命中率会急剧下降。

目前使用较多的是称为Ketama的Hash算法,通过虚拟节点的思想,解决Memcached的分布式问题。



Java实现一致性哈希

代码先不放了,参考博文一致性HASH算法的JAVA实现


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