基于一致性hash算法 C++語言的實(shí)現(xiàn)詳解
一致性hash算法實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)關(guān)鍵問題需要解決，一個(gè)是用于結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)和查找的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇，另一個(gè)是結(jié)點(diǎn)hash算法的選擇。
首先來談一下一致性hash算法中用于存儲(chǔ)結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過了解一致性hash的原理，我們知道結(jié)點(diǎn)可以想象為是存儲(chǔ)在一個(gè)環(huán)形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上（如下圖），結(jié)點(diǎn)A、B、C、D按hash值在環(huán)形分布上是有序的，也就是說結(jié)點(diǎn)可以按hash值存儲(chǔ)在一個(gè)有序的隊(duì)列里。如下圖所示，當(dāng)一個(gè)hash值為-2^20的請(qǐng)求點(diǎn)P查找路由結(jié)點(diǎn)時(shí)，一致性hash算法會(huì)按hash值的順時(shí)針方向路由到第一個(gè)結(jié)點(diǎn)上（B），也就是相當(dāng)于要在存儲(chǔ)結(jié)點(diǎn)的有序結(jié)構(gòu)中，按查詢的key值找到大于key值中的最小的那個(gè)結(jié)點(diǎn)。因此，我們應(yīng)該選擇一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它應(yīng)該高效地支持結(jié)點(diǎn)頻繁地增刪，也必須具有理想的查詢效率。那么，紅黑樹可以滿足這些要求。紅黑樹是一顆近似平衡的一顆二叉查找樹，因?yàn)椴僮鞅热绮迦搿h除和查找某個(gè)值的最壞情況時(shí)間都要求與樹的高度成比例，這個(gè)在高度上的理論上限允許紅黑樹在最壞情況下都是高效的，而不同于普通的二叉查找樹。 因此，我們選擇使用紅黑樹作為結(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，除了需要實(shí)現(xiàn)紅黑樹基本的插入、刪除、查找的基本功能，我們還應(yīng)該增加另一個(gè)查詢lookup函數(shù)，用于查找大于key中最小的結(jié)點(diǎn)。
接下來，我們來說hash算法的選擇。一致性hash算法最初提出來，就是為了解決負(fù)載均衡的問題。每個(gè)實(shí)體結(jié)點(diǎn)會(huì)包含很多虛擬結(jié)點(diǎn)，虛擬結(jié)點(diǎn)是平衡負(fù)載的關(guān)鍵。我們希望虛擬結(jié)點(diǎn)可以均衡的散列在整個(gè)“環(huán)”上，這樣不僅可以負(fù)載到不同hash值的路由請(qǐng)求，還可以當(dāng)某個(gè)結(jié)點(diǎn)down掉，原來路由到down掉結(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求也可以較均衡的路由到其他結(jié)點(diǎn)而不會(huì)對(duì)某個(gè)結(jié)點(diǎn)造成大量的負(fù)載請(qǐng)求。這里，我們選擇使用MD5算法。通過MD5算法，可以將一個(gè)標(biāo)示串（用于標(biāo)示虛擬結(jié)點(diǎn)）轉(zhuǎn)化得到一個(gè)16字節(jié)的字符數(shù)組，再對(duì)該數(shù)組進(jìn)行處理，得到一個(gè)整形的hash值。由于MD5具有高度的離散性，所以生成的hash值也會(huì)具有很大的離散性，會(huì)均衡的散列到“環(huán)”上。
筆者用C++語言對(duì)一致性hash算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，下面我將會(huì)描述下一些關(guān)鍵細(xì)節(jié)。
1、首先定義實(shí)體結(jié)點(diǎn)類、虛擬結(jié)點(diǎn)類。一個(gè)實(shí)體結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)多個(gè)虛擬結(jié)點(diǎn)。
實(shí)體結(jié)點(diǎn) CNode_s：
/*實(shí)體結(jié)點(diǎn)*/
class CNode_s
{
public:
/*構(gòu)造函數(shù)*/
CNode_s();
CNode_s(char * pIden , int pVNodeCount , void * pData);
/*獲取結(jié)點(diǎn)標(biāo)示*/
const char * getIden();
/*獲取實(shí)體結(jié)點(diǎn)的虛擬結(jié)點(diǎn)數(shù)量*/
int getVNodeCount();
/*設(shè)置實(shí)體結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)值*/
void setData(void * data);
/*獲取實(shí)體結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)值*/
void * getData();
private:
void setCNode_s(char * pIden, int pVNodeCount , void * pData);
char iden[100];/*結(jié)點(diǎn)標(biāo)示串*/
int vNodeCount; /*虛擬結(jié)點(diǎn)數(shù)目*/
void * data;/*數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)*/
};
虛擬結(jié)點(diǎn) CVirtualNode_s：虛擬結(jié)點(diǎn)有一指針指向?qū)嶓w結(jié)點(diǎn)
/*虛擬結(jié)點(diǎn)*/
class CVirtualNode_s
{
public:
/*構(gòu)造函數(shù)*/
CVirtualNode_s();
CVirtualNode_s(CNode_s * pNode);
/*設(shè)置虛擬結(jié)點(diǎn)所指向的實(shí)體結(jié)點(diǎn)*/
void setNode_s(CNode_s * pNode);
/*獲取虛擬結(jié)點(diǎn)所指向的實(shí)體結(jié)點(diǎn)*/
CNode_s * getNode_s();
/*設(shè)置虛擬結(jié)點(diǎn)hash值*/
void setHash(long pHash);
/*獲取虛擬結(jié)點(diǎn)hash值*/
long getHash();
private:
long hash; /*hash值*/
CNode_s * node; /*虛擬結(jié)點(diǎn)所指向的實(shí)體結(jié)點(diǎn)*/
};
2、hash算法具有可選擇性，定義一個(gè)hash算法接口，方便以后進(jìn)行其他算法的擴(kuò)展。
這里創(chuàng)建MD5hash類，并繼承該接口，通過MD5算法求hash值。
類圖：
CHashFun接口：
/*定義Hash函數(shù)類接口，用于計(jì)算結(jié)點(diǎn)的hash值*/
class CHashFun
{
public:
virtual long getHashVal(const char *) = 0;
};
CMD5HashFun 類繼承CHashFun接口，實(shí)現(xiàn)獲取hash值的getHashVal函數(shù)：
/*用MD5算法計(jì)算結(jié)點(diǎn)的hash值，繼承CHashFun父類*/
class CMD5HashFun : public CHashFun
{
public:
virtual long getHashVal (const char * );
};
long CMD5HashFun::getHashVal(const char * instr)
{
int i;
long hash = 0;
unsigned char digest[16];
/*調(diào)用MD5相關(guān)函數(shù)，生成instr的MD5碼，存入digest*/
md5_state_t md5state;
md5_init(&md5state);
md5_append(&md5state, (const unsigned char *)instr, strlen(instr));
md5_finish(&md5state, digest);
/* 每四個(gè)字節(jié)構(gòu)成一個(gè)32位整數(shù)，
將四個(gè)32位整數(shù)相加得到instr的hash值（可能溢出） */
for(i = 0; i < 4; i++)
{
hash += ((long)(digest[i*4 + 3]&0xFF) << 24)
| ((long)(digest[i*4 + 2]&0xFF) << 16)
| ((long)(digest[i*4 + 1]&0xFF) << 8)
| ((long)(digest[i*4 + 0]&0xFF));
}
return hash;
}
3、擴(kuò)展紅黑樹結(jié)構(gòu)中的查找函數(shù)，用于查找紅黑樹中大于key值中最小的結(jié)點(diǎn)。
util_rbtree_node_t* util_rbtree_lookup(util_rbtree_t *rbtree, long key)
{
if((rbtree != NULL) && !util_rbtree_isempty(rbtree))
{
util_rbtree_node_t *node = NULL;
util_rbtree_node_t *temp = rbtree->root;
util_rbtree_node_t *null = _NULL(rbtree);
while(temp != null)
{
if(key <= temp->key)
{
node = temp; /* update node */
temp = temp->left;
}
else if(key > temp->key)
{
temp = temp->right;
}
}
/* if node==NULL return the minimum node */
return ((node != NULL) ? node : util_rbtree_min(rbtree));
}
return NULL;
}
4、創(chuàng)建一致性hash類。使其具有插入、刪除、查找實(shí)體結(jié)點(diǎn)的功能。
具體算法和操作過程已經(jīng)在代碼注釋中說明。
class CConHash
{
public:
/*構(gòu)造函數(shù)*/
CConHash(CHashFun * pFunc);
/*設(shè)置hash函數(shù)*/
void setFunc(CHashFun * pFunc);
/*增加實(shí)體結(jié)點(diǎn) , 0代表成功 , -1代表失敗*/
int addNode_s(CNode_s * pNode);
/*刪除實(shí)體結(jié)點(diǎn) , 0代表成功 , -1代表失敗*/
int delNode_s(CNode_s * pNode);
/*查找實(shí)體結(jié)點(diǎn)*/
CNode_s * lookupNode_s(const char * object);
/*獲取一致性hash結(jié)構(gòu)的所有虛擬結(jié)點(diǎn)數(shù)量*/
int getVNodes();
private:
/*Hash函數(shù)*/
CHashFun * func;
/*虛擬結(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)*/
int vNodes;
/*存儲(chǔ)虛擬結(jié)點(diǎn)的紅黑樹*/
util_rbtree_t * vnode_tree;
};
/*輔助函數(shù)，虛擬結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為紅黑樹結(jié)點(diǎn)*/
util_rbtree_node_t * vNode2RBNode(CVirtualNode_s * vnode);
CConHash::CConHash(CHashFun * pFunc)
{
/*設(shè)置hash函數(shù)*/
assert(pFunc!=NULL);
this->func = pFunc;
this->vNodes = 0;
/*初始化紅黑樹*/
vnode_tree = new util_rbtree_s();
util_rbtree_init(vnode_tree);
}
int CConHash::addNode_s(CNode_s * pNode)
{
if(pNode==NULL) return -1;
int vCount = pNode->getVNodeCount();
if(vCount<=0) return -1;
CVirtualNode_s * virtualNode ;
util_rbtree_node_t * rbNode;
char str [100];
char num[10];
strcpy(str,pNode->getIden());
long hash = 0;
/*生成虛擬結(jié)點(diǎn)并插入到紅黑樹中*/
for(int i=0;i<vCount;i++)
{
virtualNode = new CVirtualNode_s(pNode);
/*采用str+“i”的方法產(chǎn)生不同的iden串，用于后面的hash值計(jì)算*/
itoa(i,num,10);
strcat(str,num);
hash = func->getHashVal(str);
virtualNode->setHash(hash);
if(!util_rbtree_search(vnode_tree,hash))
{
/*生成紅黑樹結(jié)點(diǎn)*/
rbNode = vNode2RBNode(virtualNode);
if(rbNode!=NULL)
{
/*將該結(jié)點(diǎn)插入到紅黑樹中*/
util_rbtree_insert(vnode_tree,rbNode);
this->vNodes++;
}
}
}
return 0;
}
int CConHash::delNode_s(CNode_s * pNode)
{
if(pNode==NULL) return -1;
util_rbtree_node_t * rbNode;
char str [100];
char num [10];
strcpy(str,pNode->getIden());
int vCount = pNode->getVNodeCount();
long hash = 0;
CVirtualNode_s * node = NULL;
/*將該實(shí)體結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的所有虛擬結(jié)點(diǎn)進(jìn)行刪除*/
for(int i=0;i<vCount;i++)
{
itoa(i,num,10);
strcat(str,num);/*采用該方法產(chǎn)生不同的iden串*/
hash = func->getHashVal(str);
rbNode = util_rbtree_search(vnode_tree,hash);
if(rbNode!=NULL)
{
node = (CVirtualNode_s *) rbNode->data;
if(node->getNode_s()==pNode && node->getHash()==hash)
{
this->vNodes--;
/*將該結(jié)點(diǎn)從紅黑樹中刪除*/
util_rbtree_delete(vnode_tree,rbNode);
delete rbNode;
delete node;
}
}
}
return 0;
}
CNode_s * CConHash::lookupNode_s(const char * object)
{
if(object==NULL||this->vNodes==0) return NULL;
util_rbtree_node_t * rbNode;
int key = this->func->getHashVal(object);
/*在紅黑樹中查找key值比key大的最小的結(jié)點(diǎn)*/
rbNode = util_rbtree_lookup(vnode_tree,key);
if(rbNode!=NULL)
{
return ((CVirtualNode_s *) rbNode->data)->getNode_s();
}
return NULL;
}
int CConHash::getVNodes()
{
return this->vNodes;
}
util_rbtree_node_t * vNode2RBNode(CVirtualNode_s * vnode)
{
if(vnode==NULL) return NULL;
util_rbtree_node_t *rbNode = new util_rbtree_node_t();
rbNode->key = vnode->getHash();
rbNode->data = vnode;
return rbNode;
}
5、創(chuàng)建一個(gè)客戶端類，對(duì)一致性hash算法進(jìn)行測(cè)試。
寫了一個(gè)getIP的函數(shù)，模擬隨機(jī)產(chǎn)生的IP字符串。
#include<iostream>
#include"CNode_s.h"
#include"CVirtualNode_s.h"
#include"CHashFun.h"
#include"CMD5HashFun.h"
#include"CConHash.h"
#include<string.h>
#include<time.h>
using namespace std;
void getIP(char * IP)
{
int a=0, b=0 , c=0 , d=0;
a = rand()%256;
b = rand()%256;
c = rand()%256;
d = rand()%256;
char aa[4],bb[4],cc[4],dd[4];
itoa(a, aa, 10);
itoa(b, bb, 10);
itoa(c, cc, 10);
itoa(d, dd, 10);
strcpy(IP,aa);
strcat(IP,".");
strcat(IP,bb);
strcat(IP,".");
strcat(IP,cc);
strcat(IP,".");
strcat(IP,dd);
}
int main()
{
srand(time(0));
freopen("out.txt","r",stdin);
/*定義hash函數(shù)*/
CHashFun * func = new CMD5HashFun();
/*創(chuàng)建一致性hash對(duì)象*/
CConHash * conhash = new CConHash(func);
/*定義CNode*/
CNode_s * node1 = new CNode_s("machineA",50,"10.3.0.201");
CNode_s * node2 = new CNode_s("machineB",80,"10.3.0.202");
CNode_s * node3 = new CNode_s("machineC",20,"10.3.0.203");
CNode_s * node4 = new CNode_s("machineD",100,"10.3.0.204");
conhash->addNode_s(node1);
conhash->addNode_s(node2);
conhash->addNode_s(node3);
conhash->addNode_s(node4);
/*動(dòng)態(tài)更改結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)值*/
// node1->setData("99999999");
int ans1 ,ans2 ,ans3 ,ans4;
ans1=ans2=ans3=ans4=0;
char object[100];
CNode_s * node ;
/*動(dòng)態(tài)刪除結(jié)點(diǎn)*/
//conhash->delNode_s(node2);
for(int i =0;i<30;i++)
{
// getIP(object);
// cout<<object<<endl;
cin>>object;
node = conhash->lookupNode_s(object);
if(node!=NULL)
{
cout<<object<<"----->\t"<<node->getIden()<<" \t "<<(char *)node->getData()<<endl;
if(strcmp(node->getIden(),"machineA")==0) ans1++;
if(strcmp(node->getIden(),"machineB")==0) ans2++;
if(strcmp(node->getIden(),"machineC")==0) ans3++;
if(strcmp(node->getIden(),"machineD")==0) ans4++;
}
}
cout<<"Total test cases : "<<ans1+ans2+ans3+ans4<<endl;
cout<<"Map to MachineA : "<<ans1<<endl;
cout<<"Map to MachineB : "<<ans2<<endl;
cout<<"Map to MachineC : "<<ans3<<endl;
cout<<"Map to MachineD : "<<ans4<<endl;
fclose(stdin);
return 0;
}
6、刪除結(jié)點(diǎn)對(duì)hash路由的影響測(cè)試
測(cè)試結(jié)果截圖：
分析：上面兩幅圖，左邊為原始四個(gè)實(shí)體結(jié)點(diǎn)的路由情況，后面為刪除結(jié)點(diǎn)2（Node2）之后的路由情況。不難發(fā)現(xiàn)，MachineB down之后，原先的路由請(qǐng)求，較均衡地負(fù)載到了其他機(jī)器結(jié)點(diǎn)，而且對(duì)原先路由到其他結(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求沒有影響。比如139.149.184.125這個(gè)請(qǐng)求仍會(huì)路由到MachineD，并不會(huì)因?yàn)榻Y(jié)點(diǎn)的減少而造成影響。但是，如果是增加實(shí)體結(jié)點(diǎn)，可能會(huì)造成增加前后路由情況不一致的現(xiàn)象，因?yàn)槁酚蓞^(qū)間的更加狹小，但是不會(huì)有特別大的影響。 另一方面，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)體結(jié)點(diǎn)的虛擬結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)比例分配情況很大程度影響了結(jié)點(diǎn)的負(fù)載路由情況，比例大致與虛擬結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)相一致。
總結(jié)：
本文首先通過介紹實(shí)現(xiàn)一致性hash算法的關(guān)鍵算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇分析，選擇了紅黑樹作為虛擬結(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，以及MD5算法作為Hash函數(shù)用于計(jì)算結(jié)點(diǎn)的hash值。并使用C++語言，對(duì)一致性hash算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了一致性hash實(shí)體結(jié)點(diǎn)的增加、刪除、查找等基本功能，并進(jìn)行了測(cè)試分析。由于筆者水平有限，存在很多有待改進(jìn)的地方，因此本文僅供大家參考、討論學(xué)習(xí)。
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