[转载] 应用于负载均衡的一致性哈希及java实现

转载自http://blog.csdn.net/haitao111313/article/details/7537799

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：

    

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：
101客户端（hash：-3872430075274208315）连接到主机->s2-192.168.1.2
102客户端（hash：-6461488502093916753）连接到主机->s1-192.168.1.1
103客户端（hash：-3272337528088901176）连接到主机->s3-192.168.1.3
104客户端（hash：7274050343425899995）连接到主机->s2-192.168.1.2
105客户端（hash：6218187750346216421）连接到主机->s1-192.168.1.1
106客户端（hash：-8497989778066313989）连接到主机->s2-192.168.1.2
107客户端（hash：2219601794372203979）连接到主机->s3-192.168.1.3
108客户端（hash：1903054837754071260）连接到主机->s3-192.168.1.3
109客户端（hash：-2425484502654523425）连接到主机->s1-192.168.1.1
删除主机s2-192.168.1.2的变化：
hash(-8497989778066313989)改变到->s4-192.168.1.4
hash(7274050343425899995)改变到->s2-192.168.1.2
hash(-3872430075274208315)改变到->s4-192.168.1.4
hash(7274050343425899995)改变到->s1-192.168.1.1
增加主机s5-192.168.1.5的变化：
hash(1903054837754071260)改变到->s5-192.168.1.5
hash(1903054837754071260)改变到->s5-192.168.1.5
hash(-3272337528088901176)改变到->s5-192.168.1.5
最后的客户端到主机的映射为：
hash(-8497989778066313989)连接到主机->s4-192.168.1.4
hash(-6461488502093916753)连接到主机->s1-192.168.1.1
hash(-3872430075274208315)连接到主机->s4-192.168.1.4
hash(-3272337528088901176)连接到主机->s5-192.168.1.5
hash(-2425484502654523425)连接到主机->s1-192.168.1.1
hash(1903054837754071260)连接到主机->s5-192.168.1.5
hash(2219601794372203979)连接到主机->s3-192.168.1.3
hash(6218187750346216421)连接到主机->s1-192.168.1.1
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：

public class Shard<Node> { // S类封装了机器节点的信息 ，如name、password、ip、port等

    static private TreeMap<Long, Node> nodes; // 虚拟节点到真实节点的映射
    static private TreeMap<Long,Node> treeKey; //key到真实节点的映射
    static private List<Node> shards = new ArrayList<Node>(); // 真实机器节点
    private final int NODE_NUM = 100; // 每个机器节点关联的虚拟节点个数
    boolean flag = false;

    public Shard(List<Node> shards) {
        super();
        this.shards = shards;
        init();
    }

    public static void main(String[] args) {
//      System.out.println(hash("w222o1d"));
//      System.out.println(Long.MIN_VALUE);
//      System.out.println(Long.MAX_VALUE);
        Node s1 = new Node("s1", "192.168.1.1");
        Node s2 = new Node("s2", "192.168.1.2");
        Node s3 = new Node("s3", "192.168.1.3");
        Node s4 = new Node("s4", "192.168.1.4");
        Node s5 = new Node("s5","192.168.1.5");
        shards.add(s1);
        shards.add(s2);
        shards.add(s3);
        shards.add(s4);
        Shard<Node> sh = new Shard<Shard.Node>(shards);
        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：");
        sh.keyToNode("101客户端");
        sh.keyToNode("102客户端");
        sh.keyToNode("103客户端");
        sh.keyToNode("104客户端");
        sh.keyToNode("105客户端");
        sh.keyToNode("106客户端");
        sh.keyToNode("107客户端");
        sh.keyToNode("108客户端");
        sh.keyToNode("109客户端");

        sh.deleteS(s2);


        sh.addS(s5);

        System.out.println("最后的客户端到主机的映射为：");
        printKeyTree();
    }
    public static void printKeyTree(){
        for(Iterator<Long> it = treeKey.keySet().iterator();it.hasNext();){
            Long lo = it.next();
            System.out.println("hash("+lo+")连接到主机->"+treeKey.get(lo));
        }

    }

    private void init() { // 初始化一致性hash环
        nodes = new TreeMap<Long, Node>();
        treeKey = new TreeMap<Long, Node>();
        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
            final Node shardInfo = shards.get(i);

            for (int n = 0; n < NODE_NUM; n++)
                // 一个真实机器节点关联NODE_NUM个虚拟节点
                nodes.put(hash("SHARD-" + shardInfo.name + "-NODE-" + n), shardInfo);
        }
    }
    //增加一个主机
    private void addS(Node s) {
        System.out.println("增加主机"+s+"的变化：");
        for (int n = 0; n < NODE_NUM; n++)
            addS(hash("SHARD-" + s.name + "-NODE-" + n), s);

    }

    //添加一个虚拟节点进环形结构,lg为虚拟节点的hash值
    public void addS(Long lg,Node s){
        SortedMap<Long, Node> tail = nodes.tailMap(lg);
        SortedMap<Long,Node>  head = nodes.headMap(lg);
        Long begin = 0L;
        Long end = 0L;
        SortedMap<Long, Node> between;
        if(head.size()==0){
            between = treeKey.tailMap(nodes.lastKey());
            flag = true;
        }else{
            begin = head.lastKey();
            between = treeKey.subMap(begin, lg);
            flag = false;
        }
        nodes.put(lg, s);
        for(Iterator<Long> it=between.keySet().iterator();it.hasNext();){
            Long lo = it.next();
            if(flag){
                treeKey.put(lo, nodes.get(lg));
                System.out.println("hash("+lo+")改变到->"+tail.get(tail.firstKey()));
            }else{
                treeKey.put(lo, nodes.get(lg));
                System.out.println("hash("+lo+")改变到->"+tail.get(tail.firstKey()));
            }
        }
    }

    //删除真实节点是s
    public void deleteS(Node s){
        if(s==null){
            return;
        }
        System.out.println("删除主机"+s+"的变化：");
        for(int i=0;i<NODE_NUM;i++){
            //定位s节点的第i的虚拟节点的位置
            SortedMap<Long, Node> tail = nodes.tailMap(hash("SHARD-" + s.name + "-NODE-" + i));
            SortedMap<Long,Node>  head = nodes.headMap(hash("SHARD-" + s.name + "-NODE-" + i));
            Long begin = 0L;
            Long end = 0L;

            SortedMap<Long, Node> between;
            if(head.size()==0){
                between = treeKey.tailMap(nodes.lastKey());
                end = tail.firstKey();
                tail.remove(tail.firstKey());
                nodes.remove(tail.firstKey());//从nodes中删除s节点的第i个虚拟节点
                flag = true;
            }else{
                begin = head.lastKey();
                end = tail.firstKey();
                tail.remove(tail.firstKey());
                between = treeKey.subMap(begin, end);//在s节点的第i个虚拟节点的所有key的集合
                flag = false;
            }
            for(Iterator<Long> it = between.keySet().iterator();it.hasNext();){
                Long lo  = it.next();
                if(flag){
                    treeKey.put(lo, tail.get(tail.firstKey()));
                    System.out.println("hash("+lo+")改变到->"+tail.get(tail.firstKey()));
                }else{
                    treeKey.put(lo, tail.get(tail.firstKey()));
                    System.out.println("hash("+lo+")改变到->"+tail.get(tail.firstKey()));
                }
            }
        }

    }

    //映射key到真实节点
    public void keyToNode(String key){
        SortedMap<Long, Node> tail = nodes.tailMap(hash(key)); // 沿环的顺时针找到一个虚拟节点
        if (tail.size() == 0) {
            return;
        }
        treeKey.put(hash(key), tail.get(tail.firstKey()));
        System.out.println(key+"（hash："+hash(key)+"）连接到主机->"+tail.get(tail.firstKey()));
    }

    /**
     *  MurMurHash算法，是非加密HASH算法，性能很高，
     *  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）
     *  等HASH算法要快很多，而且据说这个算法的碰撞率很低.
     *  http://murmurhash.googlepages.com/
     */
    private static Long hash(String key) {

        ByteBuffer buf = ByteBuffer.wrap(key.getBytes());
        int seed = 0x1234ABCD;

        ByteOrder byteOrder = buf.order();
        buf.order(ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);

        long m = 0xc6a4a7935bd1e995L;
        int r = 47;

        long h = seed ^ (buf.remaining() * m);

        long k;
        while (buf.remaining() >= 8) {
            k = buf.getLong();

            k *= m;
            k ^= k >>> r;
            k *= m;

            h ^= k;
            h *= m;
        }

        if (buf.remaining() > 0) {
            ByteBuffer finish = ByteBuffer.allocate(8).order(
                    ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);
            // for big-endian version, do this first:
            // finish.position(8-buf.remaining());
            finish.put(buf).rewind();
            h ^= finish.getLong();
            h *= m;
        }

        h ^= h >>> r;
        h *= m;
        h ^= h >>> r;

        buf.order(byteOrder);
        return h;
    }

    static class Node{
        String name;
        String ip;
        public Node(String name,String ip) {
            this.name = name;
            this.ip = ip;
        }
        @Override
        public String toString() {
            return this.name+"-"+this.ip;
        }
    }

}

参考：http://blog.csdn.net/wuhuan_wp/article/details/7010071