一致哈希算法Java实现

Posted 2020-09-27 zhchoutai

一致哈希算法(Consistent Hashing Algorithms)是一个分布式系统中经常使用的算法。

传统的Hash算法当槽位(Slot)增减时，面临全部数据又一次部署的问题。而一致哈希算法确可以保证，仅仅须要移动K/n份数据(K为数据总量, n为槽位数量)，且仅仅影响现有的当中一个槽位。

这使得分布式系统中面对新增或者删除机器时。可以更高速的处理更改请求。

本文将用Java实现一个简单版本号的一致哈希算法，仅仅为说明一致哈希算法的核心思想。

一致哈希算法介绍

一致哈希算法的介绍非常多。如wiki，以及非常多的博客。在此仅仅简述其概念。具体的介绍请參考相关论文。

第一个概念是节点(Node)，分布式系统中相当于一台机器。全部的节点逻辑上围起来形成一个圆环。第二个概念是数据(Data)。每份数据都有一个key值。数据总是须要存储到某一个节点上。数据和节点之间怎样关联的呢？通过区域的概念关联。每个节点都负责圆环上的一个区域，落在该区域上的就存储在该节点上，通常区域为左側闭合。右側开放的形式。如[2500,5000)。

下面是一个拥有4个节点的一致哈希算法示意图:

总的范围定为10000，也限定了总槽位的数量。能够按照项目的须要，制定合适的大小。

• Node1的起始位置为0。负责存储[0, 2500)之间的数据
• Node2的起始位置为2500，负责存储[2500, 5000)之间的数据
• Node3的起始位置为5000。负责存储[5000, 7500)之间的数据
• Node4的起始位置为7500，负责存储[7500, 10000)之间的数据

一致哈希算法最大的特点在于新增或者删除节点的处理。

假设新增一个起始位置为1250的节点Node5，那么影响到的唯一一个节点就是Node1，Node1的存储范围由[0, 2500)变更[0, 1250)。Node5的存储范围为[1250, 2500)，所以须要把落于[1250, 2500)范围的数据搬移到Node5上。其他的不须要做出改变，这一点很的重要。相当于Node5分担了Node1的部分工作。假设把Node3删除，那么须要把Node3上面的数据搬移到Node2上面，Node2的范围扩大为[2500,7500)，Node2承担了Node3的工作。

一致哈希算法Java的详细实现

Java是面向对象的语言，首先须要抽象对象。Node。表示节点，有名字。起始位置，以及数据列表三个属性，因为Node和数据之间的匹配。使用的是范围，所以为了简单起见，Node上加了一个end的属性。本来应该有Data以及DataKey的概念。可是为了简单起见，演示样例中Data就是字符串，Key就是自己。

整个圆环有一个长度，定义为scope，默觉得10000。

新增节点的算法是。找到最大的空挡。把新增节点放中间。当然也能够换为找到压力(数据量)最大的节点，把新增节点放在该节点之后。删除节点有一点小技巧。假设删除的是開始位置为0的节点，那么把下一个节点的開始位置置为0，和普通的退格不同。

这能保证仅仅要有节点。就一定有一个从0開始的节点。这能简化我们的算法和处理逻辑。

addItem方法就是往系统里面放数据，最后为了展示数据的分布效果，提供desc方法。打印出数据分布情况。非常有意思。

总体代码例如以下:

public class ConsistentHash {
	private int scope = 10000;
	private List<Node> nodes;

	public ConsistentHash() {
		nodes = new ArrayList<Node>();
	}

	public int getScope() {
		return scope;
	}

	public void setScope(int scope) {
		this.scope = scope;
	}

	public void addNode(String nodeName) {
		if (nodeName == null || nodeName.trim().equals("")) {
			throw new IllegalArgumentException("name can't be null or empty");
		}

		if (containNodeName(nodeName)) {
			throw new IllegalArgumentException("duplicate name");
		}

		Node node = new Node(nodeName);
		if (nodes.size() == 0) {
			node.setStart(0);
			node.setEnd(scope);
			nodes.add(node);
		} else {
			Node maxNode = getMaxSectionNode();
			int middle = maxNode.start + (maxNode.end - maxNode.start) / 2;

			node.start = middle;
			node.end = maxNode.end;
			int maxPosition = nodes.indexOf(maxNode);
			nodes.add(maxPosition + 1, node);

			maxNode.setEnd(middle);

			// move data
			Iterator<String> iter = maxNode.datas.iterator();
			while (iter.hasNext()) {
				String data = iter.next();
				int value = Math.abs(data.hashCode()) % scope;
				if (value >= middle) {
					iter.remove();
					node.datas.add(data);
				}
			}
			for (String data : maxNode.datas) {
				int value = Math.abs(data.hashCode()) % scope;
				if (value >= middle) {
					maxNode.datas.remove(data);
					node.datas.add(data);
				}
			}
		}
	}

	public void removeNode(String nodeName) {
		if (!containNodeName(nodeName)) {
			throw new IllegalArgumentException("unknown name");
		}

		if (nodes.size() == 1 && nodes.get(0).datas.size() > 0) {
			throw new IllegalArgumentException("last node, and still have data");
		}

		Node node = findNode(nodeName);
		int position = nodes.indexOf(node);
		if (position == 0) {
			if (nodes.size() > 1) {
				Node newFirstNode = nodes.get(1);
				for (String data : node.datas) {
					newFirstNode.datas.add(data);
				}
				newFirstNode.setStart(0);
			}
		} else {
			Node lastNode = nodes.get(position - 1);
			for (String data : node.datas) {
				lastNode.datas.add(data);
			}
			lastNode.setEnd(node.end);
		}
		nodes.remove(position);
	}

	public void addItem(String item) {
		if (item == null || item.trim().equals("")) {
			throw new IllegalArgumentException("item can't be null or empty");
		}

		int value = Math.abs(item.hashCode()) % scope;
		Node node = findNode(value);
		node.datas.add(item);
	}

	public void desc() {
		System.out.println("Status:");
		for (Node node : nodes) {
			System.out.println(node.name + ":(" + node.start + "," + node.end
					+ "): " + listString(node.datas));
		}
	}

	private String listString(LinkedList<String> datas) {
		StringBuffer buffer = new StringBuffer();
		buffer.append("{");
		Iterator<String> iter = datas.iterator();
		if (iter.hasNext()) {
			buffer.append(iter.next());
		}

		while (iter.hasNext()) {
			buffer.append(", " + iter.next());
		}
		buffer.append("}");
		return buffer.toString();
	}

	private boolean containNodeName(String nodeName) {
		if (nodes.isEmpty()) {
			return false;
		}

		Iterator<Node> iter = nodes.iterator();
		while (iter.hasNext()) {
			Node node = iter.next();
			if (node.name.equals(nodeName)) {
				return true;
			}
		}

		return false;
	}

	private Node findNode(int value) {
		Iterator<Node> iter = nodes.iterator();
		while (iter.hasNext()) {
			Node node = iter.next();
			if (value >= node.start && value < node.end) {
				return node;
			}
		}

		return null;
	}

	private Node findNode(String nodeName) {
		Iterator<Node> iter = nodes.iterator();
		while (iter.hasNext()) {
			Node node = iter.next();
			if (node.name.equals(nodeName)) {
				return node;
			}
		}

		return null;
	}

	private Node getMaxSectionNode() {
		if (nodes.size() == 1) {
			return nodes.get(0);
		}

		Iterator<Node> iter = nodes.iterator();
		int maxSection = 0;
		Node maxNode = null;
		while (iter.hasNext()) {
			Node node = iter.next();
			int section = node.end - node.start;
			if (section > maxSection) {
				maxNode = node;
				maxSection = section;
			}
		}

		return maxNode;
	}

	static class Node {
		private String name;
		private int start;
		private int end;
		private LinkedList<String> datas;

		public Node(String name) {
			this.name = name;
			datas = new LinkedList<String>();
		}

		public String getName() {
			return name;
		}

		public void setName(String name) {
			this.name = name;
		}

		public int getStart() {
			return start;
		}

		public void setStart(int start) {
			this.start = start;
		}

		public int getEnd() {
			return end;
		}

		public void setEnd(int end) {
			this.end = end;
		}

		public LinkedList<String> getDatas() {
			return datas;
		}

		public void setDatas(LinkedList<String> datas) {
			this.datas = datas;
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		ConsistentHash hash = new ConsistentHash();
		hash.addNode("Machine-1");
		hash.addNode("Machine-2");
		hash.addNode("Machine-3");
		hash.addNode("Machine-4");

		hash.addItem("Hello");
		hash.addItem("hash");
		hash.addItem("main");
		hash.addItem("args");
		hash.addItem("LinkedList");
		hash.addItem("end");

		hash.desc();

		hash.removeNode("Machine-1");

		hash.desc();

		hash.addNode("Machine-5");

		hash.desc();

		hash.addItem("scheduling");
		hash.addItem("queue");
		hash.addItem("thumb");
		hash.addItem("quantum");
		hash.addItem("approaches");
		hash.addItem("migration");
		hash.addItem("null");
		hash.addItem("feedback");
		hash.addItem("ageing");
		hash.addItem("bursts");
		hash.addItem("shorter");

		hash.desc();

		hash.addNode("Machine-6");
		hash.addNode("Machine-7");
		hash.addNode("Machine-8");

		hash.desc();

		hash.addNode("Machine-9");
		hash.addNode("Machine-10");
		hash.addNode("Machine-11");

		hash.desc();

		hash.addNode("Machine-12");
		hash.addNode("Machine-13");
		hash.addNode("Machine-14");
		hash.addNode("Machine-15");
		hash.addNode("Machine-16");
		hash.addNode("Machine-17");

		hash.desc();
	}

}

须要进一步完好的地方

不同节点之间互相备份，提高系统的可靠性。节点范围的动态调整。有时候分布可能不够平衡。