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一致性HASH算法(虚拟节点)
阅读量：4106 次
发布时间：2019-05-25

本文共 9446 字，大约阅读时间需要 31 分钟。

import java.io.UnsupportedEncodingException;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.ByteOrder;import java.security.MessageDigest;import java.security.NoSuchAlgorithmException;import java.util.*;/** * Created by IntelliJ IDEA. * User: test * Date: 12-5-24 * Time: 下午5:37 * To change this template use File | Settings | File Templates. */public class ConsistencyHash {    private TreeMap
   
     nodes = null;    //真实服务器节点信息    private List
     shards = new ArrayList();    //设置虚拟节点数目    private int VIRTUAL_NUM = 4;    /**     * 初始化一致环     */    public void init() {         shards.add("192.168.0.0-服务器0");         shards.add("192.168.0.1-服务器1");         shards.add("192.168.0.2-服务器2");         shards.add("192.168.0.3-服务器3");         shards.add("192.168.0.4-服务器4");        nodes = new TreeMap
     
      ();        for(int i=0; i
      
        tailMap=nodes.tailMap(key);//- treemap中的tailmap是返回大于或等于某个key的子map		if(tailMap.isEmpty()) {			key = nodes.firstKey();		} else {			key = tailMap.firstKey();		}        return nodes.get(key);    }    /**     * 打印圆环节点数据     */     public void printMap() {         System.out.println(nodes);     }    /**     * 根据2^32把节点分布到圆环上面。     * @param digest     * @param nTime     * @return     */      public long hash(byte[] digest, int nTime) {		long rv = ((long) (digest[3+nTime*4] & 0xFF) << 24)				| ((long) (digest[2+nTime*4] & 0xFF) << 16)				| ((long) (digest[1+nTime*4] & 0xFF) << 8)				| (digest[0+nTime*4] & 0xFF);		return rv & 0xffffffffL; /* Truncate to 32-bits */	  }	/**	 * Get the md5 of the given key.     * 计算MD5值	 */	 public byte[] computeMd5(String k) {		MessageDigest md5;		try {			md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");		} catch (NoSuchAlgorithmException e) {			throw new RuntimeException("MD5 not supported", e);		}		md5.reset();		byte[] keyBytes = null;		try {			keyBytes = k.getBytes("UTF-8");		} catch (UnsupportedEncodingException e) {			throw new RuntimeException("Unknown string :" + k, e);		}		md5.update(keyBytes);		return md5.digest();	 }     public static void main(String[] args) {         Random ran = new Random();         ConsistencyHash ch = new ConsistencyHash();         ch.init();         ch.printMap();         //循环50次，是为了取50个数来测试效果，当然也可以用其他任何的数据来测试         for(int i=0; i<50; i++) {             System.out.println(ch.getShardInfo(ch.hash(ch.computeMd5(String.valueOf(i)),ran.nextInt(ch.VIRTUAL_NUM))));         }   }}

===========================上面的hash生成算法存在问题，对于动态增删节点时================================

 这几天看了几遍一致性哈希的文章，但是都没有比较完整的实现，因此试着实现了一下，这里我就不讲一致性哈希的原理了，网上很多，以一致性哈希用在负载均衡的实例来说，一致性哈希就是先把主机ip从小大到全部放到一个环内，然后客户端ip来连接的时候，把客户端ip连接到大小最接近客户端ip且大于客户端ip的主机。当然，这里的ip一般都是要先hash一下的。我的程序运行结果如下：

    

[java]   
 
  1. 添加客户端，一开始有4个主机，分别为s1,s2,s3,s4,每个主机有100个虚拟主机：  
  2. 101客户端（hash：-3872430075274208315）连接到主机->s2-192.168.1.2  
  3. 102客户端（hash：-6461488502093916753）连接到主机->s1-192.168.1.1  
  4. 103客户端（hash：-3272337528088901176）连接到主机->s3-192.168.1.3  
  5. 104客户端（hash：7274050343425899995）连接到主机->s2-192.168.1.2  
  6. 105客户端（hash：6218187750346216421）连接到主机->s1-192.168.1.1  
  7. 106客户端（hash：-8497989778066313989）连接到主机->s2-192.168.1.2  
  8. 107客户端（hash：2219601794372203979）连接到主机->s3-192.168.1.3  
  9. 108客户端（hash：1903054837754071260）连接到主机->s3-192.168.1.3  
  10. 109客户端（hash：-2425484502654523425）连接到主机->s1-192.168.1.1  
  11. 删除主机s2-192.168.1.2的变化：  
  12. hash(-8497989778066313989)改变到->s4-192.168.1.4  
  13. hash(7274050343425899995)改变到->s2-192.168.1.2  
  14. hash(-3872430075274208315)改变到->s4-192.168.1.4  
  15. hash(7274050343425899995)改变到->s1-192.168.1.1  
  16. 增加主机s5-192.168.1.5的变化：  
  17. hash(1903054837754071260)改变到->s5-192.168.1.5  
  18. hash(1903054837754071260)改变到->s5-192.168.1.5  
  19. hash(-3272337528088901176)改变到->s5-192.168.1.5  
  20. 最后的客户端到主机的映射为：  
  21. hash(-8497989778066313989)连接到主机->s4-192.168.1.4  
  22. hash(-6461488502093916753)连接到主机->s1-192.168.1.1  
  23. hash(-3872430075274208315)连接到主机->s4-192.168.1.4  
  24. hash(-3272337528088901176)连接到主机->s5-192.168.1.5  
  25. hash(-2425484502654523425)连接到主机->s1-192.168.1.1  
  26. hash(1903054837754071260)连接到主机->s5-192.168.1.5  
  27. hash(2219601794372203979)连接到主机->s3-192.168.1.3  
  28. hash(6218187750346216421)连接到主机->s1-192.168.1.1  
  29. hash(7274050343425899995)连接到主机->s1-192.168.1.1  

看结果可知：一开始添加到9个客户端，连接到主机s1，s2，s3，s4的客户端分别有3，3，3，0个，经过删除主机s2，添加主机s5，最后9个客户端分别连接到主机s1,s2,s3,s4,s5的个数为4，0，１，２，２.这里要说明一下删除主机s2的情况，hash尾号为9995的客户端先连接到s2，再连接到s1，为什么会出现这种情况呢？因为每一个真实主机有ｎ个虚拟主机，删除ｓ２却打印“hash(7274050343425899995)改变到->s2-192.168.1.2”是因为删除了ｓ２的其中一个虚拟主机，跳转到另一个虚拟主机，但还是在ｓ２上，当然，这里是打印中间情况，以便了解，真实的环境是删除了ｓ２后，所有他的虚拟节点都会马上被删除，虚拟节点上的连接也会重新连接到另一个主机的虚拟节点，不会存在这种中间情况。

以下给出所有的实现代码，大家共同学习：

[java]   
 
  1. public class Shard<Node> { // S类封装了机器节点的信息 ，如name、password、ip、port等  
  2.   
  3.     static private TreeMap<Long, Node> nodes; // 虚拟节点到真实节点的映射  
  4.     static private TreeMap<Long,Node> treeKey; //key到真实节点的映射  
  5.     static private List<Node> shards = new ArrayList<Node>(); // 真实机器节点  
  6.     private final int NODE_NUM = 100; // 每个机器节点关联的虚拟节点个数  
  7.     boolean flag = false;  
  8.       
  9.     public Shard(List<Node> shards) {  
  10.         super();  
  11.         this.shards = shards;  
  12.         init();  
  13.     }  
  14.   
  15.     public static void main(String[] args) {  
  16. //      System.out.println(hash("w222o1d"));  
  17. //      System.out.println(Long.MIN_VALUE);  
  18. //      System.out.println(Long.MAX_VALUE);  
  19.         Node s1 = new Node("s1", "192.168.1.1");  
  20.         Node s2 = new Node("s2", "192.168.1.2");  
  21.         Node s3 = new Node("s3", "192.168.1.3");  
  22.         Node s4 = new Node("s4", "192.168.1.4");  
  23.         Node s5 = new Node("s5","192.168.1.5");  
  24.         shards.add(s1);  
  25.         shards.add(s2);  
  26.         shards.add(s3);  
  27.         shards.add(s4);  
  28.         Shard<Node> sh = new Shard<Shard.Node>(shards);  
  29.         System.out.println("添加客户端，一开始有4个主机，分别为s1,s2,s3,s4,每个主机有100个虚拟主机：");  
  30.         sh.keyToNode("101客户端");  
  31.         sh.keyToNode("102客户端");  
  32.         sh.keyToNode("103客户端");  
  33.         sh.keyToNode("104客户端");  
  34.         sh.keyToNode("105客户端");  
  35.         sh.keyToNode("106客户端");  
  36.         sh.keyToNode("107客户端");  
  37.         sh.keyToNode("108客户端");  
  38.         sh.keyToNode("109客户端");  
  39.           
  40.         sh.deleteS(s2);  
  41.           
  42.           
  43.         sh.addS(s5);  
  44.           
  45.         System.out.println("最后的客户端到主机的映射为：");  
  46.         printKeyTree();  
  47.     }  
  48.     public static void printKeyTree(){  
  49.         for(Iterator<Long> it = treeKey.keySet().iterator();it.hasNext();){  
  50.             Long lo = it.next();  
  51.             System.out.println("hash("+lo+")连接到主机->"+treeKey.get(lo));  
  52.         }  
  53.           
  54.     }  
  55.       
  56.     private void init() { // 初始化一致性hash环  
  57.         nodes = new TreeMap<Long, Node>();  
  58.         treeKey = new TreeMap<Long, Node>();  
  59.         for (int i = 0; i != shards.size(); ++i) { // 每个真实机器节点都需要关联虚拟节点  
  60.             final Node shardInfo = shards.get(i);  
  61.   
  62.             for (int n = 0; n < NODE_NUM; n++)  
  63.                 // 一个真实机器节点关联NODE_NUM个虚拟节点  
  64.                 nodes.put(hash("SHARD-" + shardInfo.name + "-NODE-" + n), shardInfo);  
  65.         }  
  66.     }  
  67.     //增加一个主机  
  68.     private void addS(Node s) {  
  69.         System.out.println("增加主机"+s+"的变化：");  
  70.         for (int n = 0; n < NODE_NUM; n++)  
  71.             addS(hash("SHARD-" + s.name + "-NODE-" + n), s);  
  72.   
  73.     }  
  74.       
  75.     //添加一个虚拟节点进环形结构,lg为虚拟节点的hash值  
  76.     public void addS(Long lg,Node s){  
  77.         SortedMap<Long, Node> tail = nodes.tailMap(lg);  
  78.         SortedMap<Long,Node>  head = nodes.headMap(lg);  
  79.         Long begin = 0L;  
  80.         Long end = 0L;  
  81.         SortedMap<Long, Node> between;  
  82.         if(head.size()==0){  
  83.             between = treeKey.tailMap(nodes.lastKey());  
  84.             flag = true;  
  85.         }else{  
  86.             begin = head.lastKey();  
  87.             between = treeKey.subMap(begin, lg);  
  88.             flag = false;  
  89.         }  
  90.         nodes.put(lg, s);  
  91.         for(Iterator<Long> it=between.keySet().iterator();it.hasNext();){  
  92.             Long lo = it.next();  
  93.             if(flag){  
  94.                 treeKey.put(lo, nodes.get(lg));  
  95.                 System.out.println("hash("+lo+")改变到->"+tail.get(tail.firstKey()));  
  96.             }else{  
  97.                 treeKey.put(lo, nodes.get(lg));  
  98.                 System.out.println("hash("+lo+")改变到->"+tail.get(tail.firstKey()));  
  99.             }  
  100.         }  
  101.     }  
  102.       
  103.     //删除真实节点是s  
  104.     public void deleteS(Node s){  
  105.         if(s==null){  
  106.             return;  
  107.         }  
  108.         System.out.println("删除主机"+s+"的变化：");      
  109.         for(int i=0;i<NODE_NUM;i++){  
  110.             //定位s节点的第i的虚拟节点的位置  
  111.             SortedMap<Long, Node> tail = nodes.tailMap(hash("SHARD-" + s.name + "-NODE-" + i));  
  112.             SortedMap<Long,Node>  head = nodes.headMap(hash("SHARD-" + s.name + "-NODE-" + i));  
  113.             Long begin = 0L;  
  114.             Long end = 0L;  
  115.               
  116.             SortedMap<Long, Node> between;  
  117.             if(head.size()==0){  
  118.                 between = treeKey.tailMap(nodes.lastKey());  
  119.                 end = tail.firstKey();  
  120.                 tail.remove(tail.firstKey());  
  121.                 nodes.remove(tail.firstKey());//从nodes中删除s节点的第i个虚拟节点  
  122.                 flag = true;  
  123.             }else{  
  124.                 begin = head.lastKey();  
  125.                 end = tail.firstKey();  
  126.                 tail.remove(tail.firstKey());  
  127.                 between = treeKey.subMap(begin, end);//在s节点的第i个虚拟节点的所有key的集合  
  128.                 flag = false;  
  129.             }  
  130.             for(Iterator<Long> it = between.keySet().iterator();it.hasNext();){  
  131.                 Long lo  = it.next();  
  132.                 if(flag){  
  133.                     treeKey.put(lo, tail.get(tail.firstKey()));  
  134.                     System.out.println("hash("+lo+")改变到->"+tail.get(tail.firstKey()));  
  135.                 }else{  
  136.                     treeKey.put(lo, tail.get(tail.firstKey()));  
  137.                     System.out.println("hash("+lo+")改变到->"+tail.get(tail.firstKey()));  
  138.                 }  
  139.             }  
  140.         }  
  141.           
  142.     }  
  143.   
  144.     //映射key到真实节点  
  145.     public void keyToNode(String key){  
  146.         SortedMap<Long, Node> tail = nodes.tailMap(hash(key)); // 沿环的顺时针找到一个虚拟节点  
  147.         if (tail.size() == 0) {  
  148.             return;  
  149.         }  
  150.         treeKey.put(hash(key), tail.get(tail.firstKey()));  
  151.         System.out.println(key+"（hash："+hash(key)+"）连接到主机->"+tail.get(tail.firstKey()));  
  152.     }  
  153.       
  154.     /** 
  155.      *  MurMurHash算法，是非加密HASH算法，性能很高， 
  156.      *  比传统的CRC32,MD5，SHA-1（这两个算法都是加密HASH算法，复杂度本身就很高，带来的性能上的损害也不可避免） 
  157.      *  等HASH算法要快很多，而且据说这个算法的碰撞率很低. 
  158.      *  http://murmurhash.googlepages.com/ 
  159.      */  
  160.     private static Long hash(String key) {  
  161.           
  162.         ByteBuffer buf = ByteBuffer.wrap(key.getBytes());  
  163.         int seed = 0x1234ABCD;  
  164.           
  165.         ByteOrder byteOrder = buf.order();  
  166.         buf.order(ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);  
  167.   
  168.         long m = 0xc6a4a7935bd1e995L;  
  169.         int r = 47;  
  170.   
  171.         long h = seed ^ (buf.remaining() * m);  
  172.   
  173.         long k;  
  174.         while (buf.remaining() >= 8) {  
  175.             k = buf.getLong();  
  176.   
  177.             k *= m;  
  178.             k ^= k >>> r;  
  179.             k *= m;  
  180.   
  181.             h ^= k;  
  182.             h *= m;  
  183.         }  
  184.   
  185.         if (buf.remaining() > 0) {  
  186.             ByteBuffer finish = ByteBuffer.allocate(8).order(  
  187.                     ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);  
  188.             // for big-endian version, do this first:  
  189.             // finish.position(8-buf.remaining());  
  190.             finish.put(buf).rewind();  
  191.             h ^= finish.getLong();  
  192.             h *= m;  
  193.         }  
  194.   
  195.         h ^= h >>> r;  
  196.         h *= m;  
  197.         h ^= h >>> r;  
  198.   
  199.         buf.order(byteOrder);  
  200.         return h;  
  201.     }  
  202.       
  203.     static class Node{  
  204.         String name;  
  205.         String ip;  
  206.         public Node(String name,String ip) {  
  207.             this.name = name;  
  208.             this.ip = ip;  
  209.         }  
  210.         @Override  
  211.         public String toString() {  
  212.             return this.name+"-"+this.ip;  
  213.         }  
  214.     }  
  215.   
  216. }  

转载地址：http://tbnsi.baihongyu.com/

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