摘要：五一致性算法的容錯性和可擴展性現假設不幸宕機，可以看到此時對象不會受到影響，只有對象被重定位到。綜上所述，一致性算法對于節點的增減都只需重定位環空間中的一小部分數據，具有較好的容錯性和可擴展性。

最近有小伙伴跑過來問什么是Hash一致性算法，說面試的時候被問到了，因為不了解，所以就沒有回答上，問我有沒有相應的學習資料推薦，當時上班，沒時間回復，晚上回去了就忘了這件事，今天突然看到這個，加班為大家整理一下什么是Hash一致性算法，希望對大家有幫助！文末送書，長按抽獎助手小程序即可參與，祝君好運！

經常閱讀我文章的小伙伴應該都很熟悉我寫文章的套路，上來就是先要問一句為什么？也就是為什么要有Hash一致性算法？就像以前介紹為什么要有Spring一樣，首先會以歷史的角度或者項目發展的角度來分析，今天的分享還是一樣的套路，先從歷史的角度來一步步分析，探討一下到底什么是Hash一致性算法！

一、Redis集群的使用
我們在使用Redis的時候，為了保證Redis的高可用，提高Redis的讀寫性能，最簡單的方式我們會做主從復制，組成Master-Master或者Master-Slave的形式，或者搭建Redis集群，進行數據的讀寫分離，類似于數據庫的主從復制和讀寫分離。如下所示：??

同樣類似于數據庫，當單表數據大于500W的時候需要對其進行分庫分表，當數據量很大的時候（標準可能不一樣，要看Redis服務器容量）我們同樣可以對Redis進行類似的操作，就是分庫分表。

假設，我們有一個社交網站，需要使用Redis存儲圖片資源，存儲的格式為鍵值對，key值為圖片名稱，value為該圖片所在文件服務器的路徑，我們需要根據文件名查找該文件所在文件服務器上的路徑，數據量大概有2000W左右，按照我們約定的規則進行分庫，規則就是隨機分配，我們可以部署8臺緩存服務器，每臺服務器大概含有500W條數據，并且進行主從復制，示意圖如下：

由于規則是隨機的，所有我們的一條數據都有可能存儲在任何一組Redis中，例如上圖我們用戶查找一張名稱為”a.png”的圖片，由于規則是隨機的，我們不確定具體是在哪一個Redis服務器上的，因此我們需要進行1、2、3、4，4次查詢才能夠查詢到（也就是遍歷了所有的Redis服務器），這顯然不是我們想要的結果，有了解過的小伙伴可能會想到，隨機的規則不行，可以使用類似于數據庫中的分庫分表規則：按照Hash值、取模、按照類別、按照某一個字段值等等常見的規則就可以出來了！好，按照我們的主題，我們就使用Hash的方式。

二、為Redis集群使用Hash
可想而知，如果我們使用Hash的方式，每一張圖片在進行分庫的時候都可以定位到特定的服務器，示意圖如下：

上圖中，假設我們查找的是”a.png”，由于有4臺服務器（排除從庫），因此公式為hash(a.png) % 4 = 2?，可知定位到了第2號服務器，這樣的話就不會遍歷所有的服務器，大大提升了性能！

三、使用Hash的問題
上述的方式雖然提升了性能，我們不再需要對整個Redis服務器進行遍歷！但是，使用上述Hash算法進行緩存時，會出現一些缺陷，主要體現在服務器數量變動的時候，所有緩存的位置都要發生改變！

試想一下，如果4臺緩存服務器已經不能滿足我們的緩存需求，那么我們應該怎么做呢？很簡單，多增加幾臺緩存服務器不就行了！假設：我們增加了一臺緩存服務器，那么緩存服務器的數量就由4臺變成了5臺。那么原本hash(a.png) % 4 = 2?的公式就變成了hash(a.png) % 5 = ？?， 可想而知這個結果肯定不是2的，這種情況帶來的結果就是當服務器數量變動時，所有緩存的位置都要發生改變！換句話說，當服務器數量發生改變時，所有緩存在一定時間內是失效的，當應用無法從緩存中獲取數據時，則會向后端數據庫請求數據（還記得上一篇的《緩存雪崩》嗎？）！

同樣的，假設4臺緩存中突然有一臺緩存服務器出現了故障，無法進行緩存，那么我們則需要將故障機器移除，但是如果移除了一臺緩存服務器，那么緩存服務器數量從4臺變為3臺，也是會出現上述的問題！

所以，我們應該想辦法不讓這種情況發生，但是由于上述Hash算法本身的緣故，使用取模法進行緩存時，這種情況是無法避免的，為了解決這些問題，Hash一致性算法（一致性Hash算法）誕生了！

四、一致性Hash算法的神秘面紗
一致性Hash算法也是使用取模的方法，只是，剛才描述的取模法是對服務器的數量進行取模，而一致性Hash算法是對2^32取模，什么意思呢？簡單來說，一致性Hash算法將整個哈希值空間組織成一個虛擬的圓環，如假設某哈希函數H的值空間為0-2^32-1（即哈希值是一個32位無符號整形），整個哈希環如下：??

整個空間按順時針方向組織，圓環的正上方的點代表0，0點右側的第一個點代表1，以此類推，2、3、4、5、6……直到2^32-1，也就是說0點左側的第一個點代表2^32-1， 0和2^32-1在零點中方向重合，我們把這個由2^32個點組成的圓環稱為Hash環。

下一步將各個服務器使用Hash進行一個哈希，具體可以選擇服務器的IP或主機名作為關鍵字進行哈希，這樣每臺機器就能確定其在哈希環上的位置，這里假設將上文中四臺服務器使用IP地址哈希后在環空間的位置如下：??

接下來使用如下算法定位數據訪問到相應服務器：將數據key使用相同的函數Hash計算出哈希值，并確定此數據在環上的位置，從此位置沿環順時針“行走”，第一臺遇到的服務器就是其應該定位到的服務器！

例如我們有Object A、Object B、Object C、Object D四個數據對象，經過哈希計算后，在環空間上的位置如下：?

根據一致性Hash算法，數據A會被定為到Node A上，B被定為到Node B上，C被定為到Node C上，D被定為到Node D上。

五、一致性Hash算法的容錯性和可擴展性
現假設Node C不幸宕機，可以看到此時對象A、B、D不會受到影響，只有C對象被重定位到Node D。一般的，在一致性Hash算法中，如果一臺服務器不可用，則受影響的數據僅僅是此服務器到其環空間中前一臺服務器（即沿著逆時針方向行走遇到的第一臺服務器）之間數據，其它不會受到影響，如下所示：

下面考慮另外一種情況，如果在系統中增加一臺服務器Node X，如下圖所示：

此時對象Object A、B、D不受影響，只有對象C需要重定位到新的Node X ！一般的，在一致性Hash算法中，如果增加一臺服務器，則受影響的數據僅僅是新服務器到其環空間中前一臺服務器（即沿著逆時針方向行走遇到的第一臺服務器）之間數據，其它數據也不會受到影響。

綜上所述，一致性Hash算法對于節點的增減都只需重定位環空間中的一小部分數據，具有較好的容錯性和可擴展性。

六、Hash環的數據傾斜問題
一致性Hash算法在服務節點太少時，容易因為節點分部不均勻而造成數據傾斜（被緩存的對象大部分集中緩存在某一臺服務器上）問題，例如系統中只有兩臺服務器，其環分布如下：?

此時必然造成大量數據集中到Node A上，而只有極少量會定位到Node B上。為了解決這種數據傾斜問題，一致性Hash算法引入了虛擬節點機制，即對每一個服務節點計算多個哈希，每個計算結果位置都放置一個此服務節點，稱為虛擬節點。具體做法可以在服務器IP或主機名的后面增加編號來實現。

例如上面的情況，可以為每臺服務器計算三個虛擬節點，于是可以分別計算 “Node A#1”、“Node A#2”、“Node A#3”、“Node B#1”、“Node B#2”、“Node B#3”的哈希值，于是形成六個虛擬節點：?

同時數據定位算法不變，只是多了一步虛擬節點到實際節點的映射，例如定位到“Node A#1”、“Node A#2”、“Node A#3”三個虛擬節點的數據均定位到Node A上。這樣就解決了服務節點少時數據傾斜的問題。在實際應用中，通常將虛擬節點數設置為32甚至更大，因此即使很少的服務節點也能做到相對均勻的數據分布。

七、總結
上文中，我們一步步分析了什么是一致性Hash算法，主要是考慮到分布式系統每個節點都有可能失效，并且新的節點很可能動態的增加進來的情況，如何保證當系統的節點數目發生變化的時候，我們的系統仍然能夠對外提供良好的服務，這是值得考慮的！

PHP代碼實現案例：

$hostsMap = ["img1.findme.wang", "img2.findme.wang", "img3.findme.wang"];
$hashRing = [];
 
function getImgSrc($imgName){
    global $hostsMap;
    global $hashRing;
    //將節點映射到hash環上面
    if (empty($hashRing)) {
        foreach($hostsMap as $h) {
            $hostKey = fmod(crc32($h) , pow(2,32));
            $hostKey = abs($hostKey);
            $hashRing[$hostKey] = $h;
        }
        //從小到大排序，便于查找
        ksort($hashRing);
    }
 
    //計算圖片hash
    $imgKey = fmod(crc32($imgName) , pow(2,32));
    $imgKey = abs($imgKey);
    foreach($hashRing as $hostKey => $h) {
        if ($imgKey < $hostKey) {
            return "http://" . $h . "/" . $imgName;
        }
    }
    return "http://" . current($hashRing) . "/" . $imgName;
}
 
var_dump(getImgSrc("logo1.png"));
var_dump(getImgSrc("logo2.png"));
var_dump(getImgSrc("logo3.png"));