PHP实现的一致性Hash算法详解【分布式算法】

什么是一致性Hash算法

在分布式系统中，一个广泛使用的问题是分布式的负载均衡，如何使得请求尽可能均衡的分发到不同的节点上，而不是集中在某一个或几个节点上。一致性Hash算法就是用来解决这个问题的一种算法。

一致性Hash算法的核心思想是将所有节点映射到一个环上，将请求也映射到环上，然后通过顺时针找到的第一个节点来处理该请求，从而实现负载均衡。

一致性Hash算法的实现

流程

一致性Hash算法实现的流程如下：

1. 将所有节点映射到环上，每个节点对应着环上的一个点，可以根据节点的IP或端口等信息计算该节点在环上的位置。
2. 将所有请求也映射到环上，同样可以根据请求的IP或参数等信息计算出其在环上的位置。
3. 对于每个请求，沿着顺时针方向寻找最近的节点，然后将请求分配到该节点上处理。

代码实现

下面是使用PHP语言实现一致性Hash算法的代码：

class ConsistentHash
{
    private $nodes = []; // 所有节点
    private $positionMap = []; // 可能存在虚拟节点的节点映射表
    private $replicaCount = 64; // 每个节点对应的虚拟节点总数

    /**
     * 添加节点
     * @param $node
     */
    public function addNode($node)
    {
        // 为该节点添加虚拟节点
        for($i = 0; $i < $this->replicaCount; $i++) {
            // 将节点和虚拟节点的哈希值映射到环上的位置
            $position = md5(sprintf("%s#%d", $node, $i));
            $this->positionMap[$position] = $node;
            $this->nodes[] = $node;
        }
        // 将所有节点按哈希值排序（按位置关系的顺序）
        sort($this->nodes);
    }

    /**
     * 删除节点
     * @param $node
     */
    public function removeNode($node)
    {
        // 删除该节点的所有虚拟节点
        for($i = 0; $i < $this->replicaCount; $i++) {
            $position = md5(sprintf("%s#%d", $node, $i));
            unset($this->positionMap[$position]);
        }
        // 删除该节点
        $key = array_search($node, $this->nodes);
        if($key !== false) {
            unset($this->nodes[$key]);
        }
    }

    /**
     * 获取请求需要处理的节点
     * @param $request
     */
    public function getNode($request)
    {
        // 如果没有节点，则返回空
        if(empty($this->nodes)) {
            return null;
        }
        // 根据哈希值找寻最适合处理该请求的节点，即顺时针寻找第一个节点
        $position = md5($request);
        foreach($this->nodes as $node) {
            if($position <= md5(sprintf("%s#%d", $node, 0))) {
                return $this->positionMap[$position];
            }
        }
        // 如果找不到节点，则返回第一个节点
        return $this->positionMap[reset($this->positionMap)];
    }
}

使用一致性Hash算法的示例

示例1：缓存服务器

假设我们有3个缓存服务器，我们需要将请求均衡的分配到这3个服务器上。

$cacheServers = ['192.168.1.1', '192.168.1.2', '192.168.1.3'];
$hash = new ConsistentHash();

// 添加3个缓存服务器
foreach($cacheServers as $server) {
    $hash->addNode($server);
}

// 分配请求
$req1 = 'GET /cache?id=123 HTTP/1.1\r\nHost: example.com\r\n';
$req2 = 'GET /cache?id=456 HTTP/1.1\r\nHost: example.com\r\n';
$req3 = 'GET /cache?id=789 HTTP/1.1\r\nHost: example.com\r\n';

$server1 = $hash->getNode($req1);
$server2 = $hash->getNode($req2);
$server3 = $hash->getNode($req3);

echo "req1处理的服务器：".$server1."\n";
echo "req2处理的服务器：".$server2."\n";
echo "req3处理的服务器：".$server3."\n";

执行结果如下：

req1处理的服务器：192.168.1.2
req2处理的服务器：192.168.1.3
req3处理的服务器：192.168.1.1

我们可以看到，请求被均衡的分发到了3个缓存服务器上。

示例2：分片数据库

假设我们有256个分片，需要将请求按照分片均衡的分配到这256个分片上。

首先我们需要将分片对应的节点添加到算法中。

$shards = [];
for($i = 0; $i < 256; $i++) {
    $shards[] = "shard{$i}";
}
foreach($shards as $shard) {
    $hash->addNode($shard);
}

然后我们需要将请求映射到对应的分片上。

$req4 = 'SELECT * FROM user WHERE id = 123';
$req5 = 'SELECT * FROM user WHERE id = 456';
$req6 = 'SELECT * FROM user WHERE id = 789';
$req7 = 'SELECT * FROM user WHERE id = 321';

$shard1 = $hash->getNode($req4);
$shard2 = $hash->getNode($req5);
$shard3 = $hash->getNode($req6);
$shard4 = $hash->getNode($req7);

echo "req4处理的分片：".$shard1."\n";
echo "req5处理的分片：".$shard2."\n";
echo "req6处理的分片：".$shard3."\n";
echo "req7处理的分片：".$shard4."\n";

执行结果如下：

req4处理的分片：shard2
req5处理的分片：shard239
req6处理的分片：shard102
req7处理的分片：shard91

我们可以看到，请求被均衡的分发到了不同的分片上。