什麼是一致性Hash算法？

最近有小夥伴跑過來問什麼是Hash一致性算法，說面試的時候被問到了，由於不瞭解，因此就沒有回答上，問我有沒有相應的學習資料推薦，當時上班，沒時間回覆，晚上回去了就忘了這件事，今天忽然看到這個，加班爲你們整理一下什麼是Hash一致性算法，但願對你們有幫助！文末送書，長按抽獎助手小程序便可參與，祝君好運！

常常閱讀我文章的小夥伴應該都很熟悉我寫文章的套路，上來就是先要問一句爲何？也就是爲何要有Hash一致性算法？就像之前介紹爲何要有Spring同樣，首先會以歷史的角度或者項目發展的角度來分析，今天的分享仍是同樣的套路，先從歷史的角度來一步步分析，探討一下到底什麼是Hash一致性算法！

1、Redis集羣的使用
咱們在使用Redis的時候，爲了保證Redis的高可用，提升Redis的讀寫性能，最簡單的方式咱們會作主從複製，組成Master-Master或者Master-Slave的形式，或者搭建Redis集羣，進行數據的讀寫分離，相似於數據庫的主從複製和讀寫分離。以下所示：  

一樣相似於數據庫，當單表數據大於500W的時候須要對其進行分庫分表，當數據量很大的時候（標準可能不同，要看Redis服務器容量）咱們一樣能夠對Redis進行相似的操做，就是分庫分表。

假設，咱們有一個社交網站，須要使用Redis存儲圖片資源，存儲的格式爲鍵值對，key值爲圖片名稱，value爲該圖片所在文件服務器的路徑，咱們須要根據文件名查找該文件所在文件服務器上的路徑，數據量大概有2000W左右，按照咱們約定的規則進行分庫，規則就是隨機分配，咱們能夠部署8臺緩存服務器，每臺服務器大概含有500W條數據，而且進行主從複製，示意圖以下：

因爲規則是隨機的，全部咱們的一條數據都有可能存儲在任何一組Redis中，例如上圖咱們用戶查找一張名稱爲」a.png」的圖片，因爲規則是隨機的，咱們不肯定具體是在哪個Redis服務器上的，所以咱們須要進行一、二、三、4，4次查詢纔可以查詢到（也就是遍歷了全部的Redis服務器），這顯然不是咱們想要的結果，有了解過的小夥伴可能會想到，隨機的規則不行，可使用相似於數據庫中的分庫分表規則：按照Hash值、取模、按照類別、按照某一個字段值等等常見的規則就能夠出來了！好，按照咱們的主題，咱們就使用Hash的方式。

2、爲Redis集羣使用Hash
可想而知，若是咱們使用Hash的方式，每一張圖片在進行分庫的時候均可以定位到特定的服務器，示意圖以下：

上圖中，假設咱們查找的是」a.png」，因爲有4臺服務器（排除從庫），所以公式爲hash(a.png) % 4 = 2 ，可知定位到了第2號服務器，這樣的話就不會遍歷全部的服務器，大大提高了性能！

3、使用Hash的問題
上述的方式雖然提高了性能，咱們再也不須要對整個Redis服務器進行遍歷！可是，使用上述Hash算法進行緩存時，會出現一些缺陷，主要體如今服務器數量變更的時候，全部緩存的位置都要發生改變！

試想一下，若是4臺緩存服務器已經不能知足咱們的緩存需求，那麼咱們應該怎麼作呢？很簡單，多增長几臺緩存服務器不就好了！假設：咱們增長了一臺緩存服務器，那麼緩存服務器的數量就由4臺變成了5臺。那麼本來hash(a.png) % 4 = 2 的公式就變成了hash(a.png) % 5 = ？ ， 可想而知這個結果確定不是2的，這種狀況帶來的結果就是當服務器數量變更時，全部緩存的位置都要發生改變！換句話說，當服務器數量發生改變時，全部緩存在必定時間內是失效的，當應用沒法從緩存中獲取數據時，則會向後端數據庫請求數據（還記得上一篇的《緩存雪崩》嗎？）！

一樣的，假設4臺緩存中忽然有一臺緩存服務器出現了故障，沒法進行緩存，那麼咱們則須要將故障機器移除，可是若是移除了一臺緩存服務器，那麼緩存服務器數量從4臺變爲3臺，也是會出現上述的問題！

因此，咱們應該想辦法不讓這種狀況發生，可是因爲上述Hash算法自己的緣故，使用取模法進行緩存時，這種狀況是沒法避免的，爲了解決這些問題，Hash一致性算法（一致性Hash算法）誕生了！

4、一致性Hash算法的神祕面紗
一致性Hash算法也是使用取模的方法，只是，剛纔描述的取模法是對服務器的數量進行取模，而一致性Hash算法是對2^32取模，什麼意思呢？簡單來講，一致性Hash算法將整個哈希值空間組織成一個虛擬的圓環，如假設某哈希函數H的值空間爲0-2^32-1（即哈希值是一個32位無符號整形），整個哈希環以下：  

整個空間按順時針方向組織，圓環的正上方的點表明0，0點右側的第一個點表明1，以此類推，二、三、四、五、6……直到2^32-1，也就是說0點左側的第一個點表明2^32-1， 0和2^32-1在零點中方向重合，咱們把這個由2^32個點組成的圓環稱爲Hash環。

下一步將各個服務器使用Hash進行一個哈希，具體能夠選擇服務器的IP或主機名做爲關鍵字進行哈希，這樣每臺機器就能肯定其在哈希環上的位置，這裏假設將上文中四臺服務器使用IP地址哈希後在環空間的位置以下：  

接下來使用以下算法定位數據訪問到相應服務器：將數據key使用相同的函數Hash計算出哈希值，並肯定此數據在環上的位置，今後位置沿環順時針「行走」，第一臺遇到的服務器就是其應該定位到的服務器！

例如咱們有Object A、Object B、Object C、Object D四個數據對象，通過哈希計算後，在環空間上的位置以下： 

根據一致性Hash算法，數據A會被定爲到Node A上，B被定爲到Node B上，C被定爲到Node C上，D被定爲到Node D上。

5、一致性Hash算法的容錯性和可擴展性
現假設Node C不幸宕機，能夠看到此時對象A、B、D不會受到影響，只有C對象被重定位到Node D。通常的，在一致性Hash算法中，若是一臺服務器不可用，則受影響的數據僅僅是此服務器到其環空間中前一臺服務器（即沿着逆時針方向行走遇到的第一臺服務器）之間數據，其它不會受到影響，以下所示：

下面考慮另一種狀況，若是在系統中增長一臺服務器Node X，以下圖所示：

此時對象Object A、B、D不受影響，只有對象C須要重定位到新的Node X ！通常的，在一致性Hash算法中，若是增長一臺服務器，則受影響的數據僅僅是新服務器到其環空間中前一臺服務器（即沿着逆時針方向行走遇到的第一臺服務器）之間數據，其它數據也不會受到影響。

綜上所述，一致性Hash算法對於節點的增減都只需重定位環空間中的一小部分數據，具備較好的容錯性和可擴展性。

6、Hash環的數據傾斜問題
一致性Hash算法在服務節點太少時，容易由於節點分部不均勻而形成數據傾斜（被緩存的對象大部分集中緩存在某一臺服務器上）問題，例如系統中只有兩臺服務器，其環分佈以下： 

此時必然形成大量數據集中到Node A上，而只有極少許會定位到Node B上。爲了解決這種數據傾斜問題，一致性Hash算法引入了虛擬節點機制，即對每個服務節點計算多個哈希，每一個計算結果位置都放置一個此服務節點，稱爲虛擬節點。具體作法能夠在服務器IP或主機名的後面增長編號來實現。

例如上面的狀況，能夠爲每臺服務器計算三個虛擬節點，因而能夠分別計算 「Node A#1」、「Node A#2」、「Node A#3」、「Node B#1」、「Node B#2」、「Node B#3」的哈希值，因而造成六個虛擬節點： 

同時數據定位算法不變，只是多了一步虛擬節點到實際節點的映射，例如定位到「Node A#1」、「Node A#2」、「Node A#3」三個虛擬節點的數據均定位到Node A上。這樣就解決了服務節點少時數據傾斜的問題。在實際應用中，一般將虛擬節點數設置爲32甚至更大，所以即便不多的服務節點也能作到相對均勻的數據分佈。

7、總結
上文中，咱們一步步分析了什麼是一致性Hash算法，主要是考慮到分佈式系統每一個節點都有可能失效，而且新的節點極可能動態的增長進來的狀況，如何保證當系統的節點數目發生變化的時候，咱們的系統仍然可以對外提供良好的服務，這是值得考慮的！

PHP代碼實現案例：

$hostsMap = ['img1.findme.wang', 'img2.findme.wang', 'img3.findme.wang'];
$hashRing = [];
 
function getImgSrc($imgName){
    global $hostsMap;
    global $hashRing;
    //將節點映射到hash環上面
    if (empty($hashRing)) {
        foreach($hostsMap as $h) {
            $hostKey = fmod(crc32($h) , pow(2,32));
            $hostKey = abs($hostKey);
            $hashRing[$hostKey] = $h;
        }
        //從小到大排序，便於查找
        ksort($hashRing);
    }
 
    //計算圖片hash
    $imgKey = fmod(crc32($imgName) , pow(2,32));
    $imgKey = abs($imgKey);
    foreach($hashRing as $hostKey => $h) {
        if ($imgKey < $hostKey) {
            return 'http://' . $h . '/' . $imgName;
        }
    }
    return 'http://' . current($hashRing) . '/' . $imgName;
}
 
var_dump(getImgSrc("logo1.png"));
var_dump(getImgSrc("logo2.png"));
var_dump(getImgSrc("logo3.png"));