一致性Hash(Consistent Hashing)原理剖析
前面一篇文章通過生活化的場(chǎng)景為例，來描述RPC中的一些核心且常用的技術(shù)，(RPC是什么?為什么要學(xué)習(xí)RPC?)在負(fù)載均衡的時(shí)候，我們提到一個(gè)「一致性Hash」, 這個(gè)在RPC之外的許多場(chǎng)景也會(huì)使用到。
引入
在業(yè)務(wù)開發(fā)中，我們常把數(shù)據(jù)持久化到數(shù)據(jù)庫(kù)中。如果需要讀取這些數(shù)據(jù)，除了直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取外，為了減輕數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問壓力以及提高訪問速度，我們更多地引入緩存來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取。讀取數(shù)據(jù)的過程一般為：
圖1：加入緩存的數(shù)據(jù)讀取過程
對(duì)于分布式緩存，不同機(jī)器上存儲(chǔ)不同對(duì)象的數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)這些緩存機(jī)器的負(fù)載均衡，可以使用式子1來定位對(duì)象緩存的存儲(chǔ)機(jī)器：
- m = hash(o) mod n ——式子1
其中，o為對(duì)象的名稱，n為機(jī)器的數(shù)量，m為機(jī)器的編號(hào)，hash為一hash函數(shù)。圖2中的負(fù)載均衡器(load balancer)正是使用式子1來將客戶端對(duì)不同對(duì)象的請(qǐng)求分派到不同的機(jī)器上執(zhí)行，例如，對(duì)于對(duì)象o，經(jīng)過式子1的計(jì)算，得到m的值為3，那么所有對(duì)對(duì)象o的讀取和存儲(chǔ)的請(qǐng)求都被發(fā)往機(jī)器3執(zhí)行。
圖2：如何利用Hash取模實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡
式子1在大部分時(shí)候都可以工作得很好，然而，當(dāng)機(jī)器需要擴(kuò)容或者機(jī)器出現(xiàn)宕機(jī)的情況下，事情就比較棘手了。
當(dāng)機(jī)器擴(kuò)容，需要增加一臺(tái)緩存機(jī)器時(shí)，負(fù)載均衡器使用的式子變成：
- m = hash(o) mod (n + 1) ——式子2
當(dāng)機(jī)器宕機(jī)，機(jī)器數(shù)量減少一臺(tái)時(shí)，負(fù)載均衡器使用的式子變成：
- m = hash(o) mod (n - 1) ——式子3
我們以機(jī)器擴(kuò)容的情況為例，說明簡(jiǎn)單的取模方法會(huì)導(dǎo)致什么問題。假設(shè)機(jī)器由3臺(tái)變成4臺(tái)，對(duì)象o1由式子1計(jì)算得到的m值為2，由式子2計(jì)算得到的m值卻可能為0，1，2，3(一個(gè) 3t + 2的整數(shù)對(duì)4取模，其值可能為0，1，2，3，讀者可以自行驗(yàn)證)，大約有75%(3/4)的可能性出現(xiàn)緩存訪問不***的現(xiàn)象。隨著機(jī)器集群規(guī)模的擴(kuò)大，這個(gè)比例線性上升。當(dāng)99臺(tái)機(jī)器再加入1臺(tái)機(jī)器時(shí)，不***的概率是99%(99/100)。這樣的結(jié)果顯然是不能接受的，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)訪問的壓力陡增，嚴(yán)重情況，還可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)宕機(jī)。
一致性hash算法正是為了解決此類問題的方法，它可以保證當(dāng)機(jī)器增加或者減少時(shí)，對(duì)緩存訪問***的概率影響減至很小。下面我們來詳細(xì)說一下一致性hash算法的具體過程。
一致性Hash環(huán)
一致性hash算法通過一個(gè)叫作一致性hash環(huán)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)環(huán)的起點(diǎn)是0，終點(diǎn)是2^32 - 1，并且起點(diǎn)與終點(diǎn)連接，環(huán)的中間的整數(shù)按逆時(shí)針分布，故這個(gè)環(huán)的整數(shù)分布范圍是[0, 2^32-1]，如下圖3所示：
圖3：一致性Hash環(huán)
將對(duì)象放置到Hash環(huán)
假設(shè)現(xiàn)在我們有4個(gè)對(duì)象，分別為o1，o2，o3，o4，使用hash函數(shù)計(jì)算這4個(gè)對(duì)象的hash值(范圍為0 ~ 2^32-1):
- hash(o1) = m1
- hash(o2) = m2
- hash(o3) = m3
- hash(o4) = m4
把m1，m2，m3，m4這4個(gè)值放置到hash環(huán)上，得到如下圖4：
圖4：放置了對(duì)象的一致性Hash環(huán)
將機(jī)器放置到Hash環(huán)
使用同樣的hash函數(shù)，我們將機(jī)器也放置到hash環(huán)上。假設(shè)我們有三臺(tái)緩存機(jī)器，分別為 c1，c2，c3，使用hash函數(shù)計(jì)算這3臺(tái)機(jī)器的hash值：
- hash(c1) = t1
- hash(c2) = t2
- hash(c3) = t3
把t1，t2，t3 這3個(gè)值放置到hash環(huán)上，得到如下圖5：
圖5：放置了機(jī)器的一致性Hash環(huán)
為對(duì)象選擇機(jī)器
將對(duì)象和機(jī)器都放置到同一個(gè)hash環(huán)后，在hash環(huán)上順時(shí)針查找距離這個(gè)對(duì)象的hash值最近的機(jī)器，即是這個(gè)對(duì)象所屬的機(jī)器。
例如，對(duì)于對(duì)象o2，順序針找到最近的機(jī)器是c1，故機(jī)器c1會(huì)緩存對(duì)象o2。而機(jī)器c2則緩存o3，o4，機(jī)器c3則緩存對(duì)象o1。
圖6：在一致性Hash環(huán)上為對(duì)象選擇機(jī)器
處理機(jī)器增減的情況
對(duì)于線上的業(yè)務(wù)，增加或者減少一臺(tái)機(jī)器的部署是常有的事情。
例如，增加機(jī)器c4的部署并將機(jī)器c4加入到hash環(huán)的機(jī)器c3與c2之間。這時(shí)，只有機(jī)器c3與c4之間的對(duì)象需要重新分配新的機(jī)器。對(duì)于我們的例子，只有對(duì)象o4被重新分配到了c4，其他對(duì)象仍在原有機(jī)器上。如圖7所示：
圖7：增加機(jī)器后的一致性Hash環(huán)的結(jié)構(gòu)
如上文前面所述，使用簡(jiǎn)單的求模方法，當(dāng)新添加機(jī)器后會(huì)導(dǎo)致大部分緩存失效的情況，使用一致性hash算法后這種情況則會(huì)得到大大的改善。前面提到3臺(tái)機(jī)器變成4臺(tái)機(jī)器后，緩存***率只有25%(不***率75%)。而使用一致性hash算法，理想情況下緩存***率則有75%，而且，隨著機(jī)器規(guī)模的增加，***率會(huì)進(jìn)一步提高，99臺(tái)機(jī)器增加一臺(tái)后，***率達(dá)到99%，這大大減輕了增加緩存機(jī)器帶來的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問的壓力。
再例如，將機(jī)器c1下線(當(dāng)然，也有可能是機(jī)器c1宕機(jī))，這時(shí)，只有原有被分配到機(jī)器c1對(duì)象需要被重新分配到新的機(jī)器。對(duì)于我們的例子，只有對(duì)象o2被重新分配到機(jī)器c3，其他對(duì)象仍在原有機(jī)器上。如圖8所示：
圖8：減少機(jī)器后的一致性Hash環(huán)的結(jié)構(gòu)
虛擬節(jié)點(diǎn)
上面提到的過程基本上就是一致性hash的基本原理了，不過還有一個(gè)小小的問題。新加入的機(jī)器c4只分擔(dān)了機(jī)器c2的負(fù)載，機(jī)器c1與c3的負(fù)載并沒有因?yàn)闄C(jī)器c4的加入而減少負(fù)載壓力。如果4臺(tái)機(jī)器的性能是一樣的，那么這種結(jié)果并不是我們想要的。
為此，我們引入虛擬節(jié)點(diǎn)來解決負(fù)載不均衡的問題。
將每臺(tái)物理機(jī)器虛擬為一組虛擬機(jī)器，將虛擬機(jī)器放置到hash環(huán)上，如果需要確定對(duì)象的機(jī)器，先確定對(duì)象的虛擬機(jī)器，再由虛擬機(jī)器確定物理機(jī)器。
說得有點(diǎn)復(fù)雜，其實(shí)過程也很簡(jiǎn)單。
還是使用上面的例子，假如開始時(shí)存在緩存機(jī)器c1，c2，c3，對(duì)于每個(gè)緩存機(jī)器，都有3個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，其一致性hash環(huán)結(jié)構(gòu)如圖9所示：
圖9：機(jī)器c1，c2，c3的一致性Hash環(huán)結(jié)構(gòu)
假設(shè)對(duì)于對(duì)象o1，其對(duì)應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)為c11，而虛擬節(jié)點(diǎn)c11對(duì)象緩存機(jī)器c1，故對(duì)象o1被分配到機(jī)器c1中。
新加入緩存機(jī)器c4，其對(duì)應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)為c41，c42，c43，將這三個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)添加到hash環(huán)中，得到的hash環(huán)結(jié)構(gòu)如圖10所示：
圖10：機(jī)器c1，c2，c3，c4的一致性Hash環(huán)結(jié)構(gòu)
新加入的緩存機(jī)器c4對(duì)應(yīng)一組虛擬節(jié)點(diǎn)c41，c42，c43，加入到hash環(huán)后，影響的虛擬節(jié)點(diǎn)包括c31，c22，c11(順時(shí)針查找到***個(gè)節(jié)點(diǎn))，而這3個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)機(jī)器c3，c2，c1。即新加入的一臺(tái)機(jī)器，同時(shí)影響到原有的3臺(tái)機(jī)器。理想情況下，新加入的機(jī)器平等地分擔(dān)了原有機(jī)器的負(fù)載，這正是虛擬節(jié)點(diǎn)帶來的好處。而且新加入機(jī)器c4后，只影響25%(1/4)對(duì)象分配，也就是說，***率仍然有75%，這跟沒有使用虛擬節(jié)點(diǎn)的一致性hash算法得到的結(jié)果是相同的。
總結(jié)
一致性hash算法解決了分布式環(huán)境下機(jī)器增加或者減少時(shí)，簡(jiǎn)單的取模運(yùn)算無法獲取較高***率的問題。通過虛擬節(jié)點(diǎn)的使用，一致性hash算法可以均勻分擔(dān)機(jī)器的負(fù)載，使得這一算法更具現(xiàn)實(shí)的意義。正因如此，一致性hash算法被廣泛應(yīng)用于分布式系統(tǒng)中。
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