Memcached分布式布置方案--一致性Hash分布机制及其改进
一致性Hash分布简介
在服务器数量不发生改变时，普通的Hash分布可以很好地运作。当服务器的数量发生改变时，问题就出来了，试想，增加一台服务器时，同一个key经过Hash之后，与服务器取模的结果跟没增加服务器之前的结果会不一样，这就导致之前保存的数据丢失。为了把丢失的数据减少到最少，可以采用一致性hash算法。
一致性hash算法分为6个步骤：
步骤1：
将一个32位整数0~2^32 -1想象成一个环，将0作为圆环的头，2^32 -1作为圆环的尾，把它连接起来。当然这只是想象。
步骤2：
通过Hash函数把key处理成整数。
function mHash($key){
$md5 = substr(md5($key),0,8);
$seed = 31;
$hash = 0;
for($i = 0; $i < 8; $i++){
$hash = $hash*$seed + ord($md5{$i});
$i++;
}
return $hash & 0x7FFFFFFF;
}$key1 = mHash("key1");
$key2 = mHash("key2");
$key3 = mHash("key3");
$key4 = mHash("key4");把key处理成整数后，就可以在环中找到一个位置与之对应，如下图
步骤3：
把memcached群映射到环上，使用Hash函数处理服务器所使用的IP地址。
假如有3台服务器，分别使用IP（127.0.0.1），IP（127.0.0.2），IP（127.0.0.3），使用下面的方法映射到环上。
$server1 = mHash("127.0.0.1");
$server2 = mHash("127.0.0.2");
$server3 = mHash("127.0.0.3");
步骤4：把数据映射 到服务器上
沿着环顺时针方向的key出发，知道遇到下一个服务器为止，把key对应的数据保存到这个服务器上。根据上面的方法，key4和key3保存到server2上，key2保存到server1上，key1保存到server3上。
步骤5：移除服务器
考虑一下，如果server2服务器崩溃了，那么受最大影响的仅是沿着server2逆时针出发直到下一个服务器之间的数据，也就是映射到server2上的那些数据。然后依照规则，将server2服务器上的数据移植下一个服务器上即可。
在上例中，需要进行变动的有key3和key4对应的数据，把这些数据重新映射到server1上即可。
步骤6：添加服务器。
再考虑一下，如果要添加一个服务器server4，用之前的方法把它映射到key3和key4之间，这时受到的影响是沿着server4逆时针出发直至遇到下一个服务器之间的数据，把这些数据重新映射到server4上即可。
在这里仅需要变动的只有key4对应的数据，将其重新映射到server4上即可。
使用PHP实现一致性Hash分布算法的代码如下：（注：个人理解所编写，并不权威）
<?php class FlexiHash { private $serverList = array();//保存服务器列表 private $isSorted = FALSE;//记录服务器列表是否已经排过序 /*添加服务器*/ function addServer($server){ $hash = $this->mHash($server); if(!isset($this->serverList[$hash])){ $this->serverList[$hash] = $server; } $this->isSorted = FALSE; return TRUE; } /*移除服务器*/ function removeServer($server){ $hash = $this->mHash($server); if(isset($this->serverList[$hash])){ unset($this->serverList[$hash]);//unset只是销毁了某个变量，并不会重建数组索引 } $this->isSorted = FALSE; return TRUE; } /*根据值查找所在服务器*/ function lookup($key){ $hash = $this->mHash($key); /*将数组按键由小到大排序*/ if(!$this->isSorted) { ksort($this->serverList); $this->isSorted = TRUE; } /*由于数组是按键由小到大排列的，如果$hash小于等于数组的键，则返回该键的value，即服务器IP*/ foreach($this->serverList as $pos => $server) { if($hash <= $pos) { return $server; } } /*如果上述遍历没有找到合适的值，则返回第一个*/ return $this->serverList[current(array_keys($this->serverList))]; } /*hash函数*/ function mHash($key){ $md5 = substr(md5($key),0,8); $seed = 31; $hash = 0; for($i = 0; $i < 8; $i++){ $hash = $hash*$seed + ord($md5{$i}); $i++; } return $hash & 0x7FFFFFFF; } } ?>测试代码：
<?php
$hserver = new FlexiHash();
$hserver -> addServer("127.0.0.1");
$hserver -> addServer("127.0.0.2");
$hserver -> addServer("127.0.0.3");
$hserver -> addServer("127.0.0.4");
$hserver -> addServer("127.0.0.5");
echo "save key1 in server: " . $hserver->lookup("key1")."<br>";
echo "save key2 in server: " . $hserver->lookup("key2")."<br>";
echo "=============================="."<br>";
$hserver->removeServer("127.0.0.1");
echo "save key1 in server: " . $hserver->lookup("key1")."<br>";
echo "save key2 in server: " . $hserver->lookup("key2")."<br>";
echo "=============================="."<br>";
$hserver->addServer("127.0.0.1");
echo "save key1 in server: " . $hserver->lookup("key1")."<br>";
echo "save key2 in server: " . $hserver->lookup("key2")."<br>";
echo "=============================="."<br>";
?>运行结果如下：
注：关于哈希算法，读者可以自己编写自己的，也可以运用PHP自带函数或方法。
例如：一个比较简单的
echo sprintf('%u',crc32("test"));一致性hash分布优化
上述方法的缺点如下：
- 服务器算出的mhash()，并不均匀，就会出现，数据分配不均的现象。
- 移除一个服务器后，会将此服务器的数据，全部转移至下一个服务器，并不能将其分担给其余服务器。
解决方法：
创建若干的虚拟节点，这样，done掉一台服务器的话，数据会近似均匀的分给其他几台服务器。
实现方式：
<?php class FlexiHash { private $serverList = array();//保存服务器虚拟节点 private $isSorted = FALSE;//记录服务器列表是否已经排过序 protected $_mul = 64;//每台服务器分成64个虚节点 /*添加服务器*/ function addServer($server){ for($i=0; $i<$this->_mul; $i++) { $node = $server.'-'.$i;//给虚节点起名字 if(!isset($this->serverList[$this->mHash($node)])){ $this->serverList[$this->mHash($node)] = $server; } } $this->isSorted = FALSE; return TRUE; } /*移除服务器的所有虚拟节点*/ function removeServer($server){ foreach($this->serverList as $key=>$value) { if($this->serverList[$key] == $server){ unset($this->serverList[$key]); } } $this->isSorted = FALSE; return TRUE; } /*根据值查找所在服务器*/ function lookup($key){ $hash = $this->mHash($key); /*将数组按键由小到大排序*/ if(!$this->isSorted) { ksort($this->serverList); $this->isSorted = TRUE; } /*由于数组是按键由小到大排列的，如果$hash小于等于数组的键，则返回该键的value，即服务器IP*/ foreach($this->serverList as $pos => $server) { if($hash <= $pos) { return $server; } } /*如果上述遍历没有找到合适的值，则返回第一个*/ return $this->serverList[current(array_keys($this->serverList))]; } /*hash函数*/ function mHash($key){ $md5 = substr(md5($key),0,8); $seed = 31; $hash = 0; for($i = 0; $i < 8; $i++){ $hash = $hash*$seed + ord($md5{$i}); $i++; } return $hash & 0x7FFFFFFF; } function getAllServers(){ return $this->serverList; } } ?>测试：
<?php
$hserver = new FlexiHash();
$hserver -> addServer("127.0.0.1");
$hserver -> addServer("127.0.0.2");
$hserver -> addServer("127.0.0.3");
$hserver -> addServer("127.0.0.4");
$hserver -> addServer("127.0.0.5");
echo "save key1 in server: " . $hserver->lookup("key1")."<br>";
echo "save key2 in server: " . $hserver->lookup("key2")."<br>";
echo "=============================="."<br>";
$hserver->removeServer("127.0.0.1");
echo "save key1 in server: " . $hserver->lookup("key1")."<br>";
echo "save key2 in server: " . $hserver->lookup("key2")."<br>";
echo "=============================="."<br>";
$hserver->addServer("127.0.0.1");
echo "save key1 in server: " . $hserver->lookup("key1")."<br>";
echo "save key2 in server: " . $hserver->lookup("key2")."<br>";
echo "=============================="."<br>";
//var_dump($hserver->getAllServers());
?>运行结果：
再看服务器的分布情况：