PHP实现一致性哈希算法的详细介绍(代码示例)
一、案例分析
(1)问题概述
假设我们的图片数据均匀的分配在三台服务(分别标注为服务器A,服务器B、服务器C)上面,现在我们要从里面取图片,服务端在拿到这个请求后,怎么会指定,这张图片是存在服务器A、服务器B,还是服务器C上面呢?若是去遍历,两三台还好说,但那也太out了,当服务器的数量达到成百上千台的时候,还敢说去遍历吗?
(2)解决方案
a、通过存储映射关系
首先我们可能会想到,可以搞一个中间层来记录图片存储在哪个服务器上面,如下:
logo1.png =====》 服务A
ogo2.png =====》 服务B
logo3.png =====》 服务C
这样,每当请求过来的时候,我们先去请求图片与服务器的映射关系,找到图片存储的服务器,在向指定的服务器发出请求。从实现的角度来说,这是可行的,但是在存储图片的时候,我们也必须存储图片与服务器的映射关系,这明显加大了工作量,其维护也是一个问题,一旦存储的图片和服务器映射关系出现了问题,整个系统就挂了。
b、hash算法
既然我们要排除存储映射关系,这个时候,人们想到了hash算法。如
图片在存储的时候,依据图片名称(logo1.png),通过hash算法求出散列值val,通过对val进行取模,得出的值,就可以判断图片应该存储在哪个服务器上面。如下:
key = hash(imgName) % n
其中:
imgName为图片名称,
n为服务器的个数,
key代表图片应该存储在第几个服务器上面。
当请求过来的时候,比如请求logo1.png这个图片,服务端依据上述公式计算出的key,就可以判断该logo1.png存储在哪个服务器上面。PHP实现如下:
$hostsMap = ['img1.findme.wang', 'img2.findme.wang', 'img3.findme.wang']; function getImgSrc($imgName) { global $hostsMap; $key = crc32($imgName) % count($hostsMap); return 'http://' . $hostsMap[abs($key)] . '/' . $imgName; } //测试 var_dump(getImgSrc("logo1.png")); var_dump(getImgSrc("logo2.png")); var_dump(getImgSrc("logo3.png"));
输出:
此时,我们由存储映射关系变为计算服务器的序号,确实极大的简化了工作量。
但是一旦新增机器,就非常麻烦了,因为n变了,几乎所有的序列号key也变了,于是需要大量的数据迁移工作。
C、一致性hash算法
一致性hash算法,是一种特殊的hash算法,旨在解决当node数(如存储图片的服务器数量)变化时候,尽量少数据的迁移。
其基本思想:
1、首先把0~2的32次方个点,均匀的分布到一个圆环上面,如下:
2、然后将所有的节点node(存储图片的服务器)通过hash计算后,对232取余,然后也映射到hash环上面,如下:
3、当请求过来的时候,比如请求logo1.png这个图片,通过hash计算后,对232取余,然后也映射到hash环上面,如下:
4、然后顺时针转动,第一个到达的节点node,就认为是存储logo1.png图片的服务器。
从上面可以得知,其实一致性hash的亮点,首先在于对节点node(存储图片的服务器)和对象(图片)都进行了hash计算和映射,其次是闭环的设计。
优点:当新增机器的时候,仅仅标志出来的区域受到影响,如下图:
缺点:当节点node比较少的时候,往往缺少平衡性,因为经过hash计算后,映射到hash环上面的节点node,并不是均匀分布的,导致了有的机器负载很高,有的机器很空闲。
PHP实现如下:
$hostsMap = ['img1.findme.wang', 'img2.findme.wang', 'img3.findme.wang']; $hashRing = []; function getImgSrc($imgName){ global $hostsMap; global $hashRing; //将节点映射到hash环上面 if (empty($hashRing)) { foreach($hostsMap as $h) { $hostKey = fmod(crc32($h) , pow(2,32)); $hostKey = abs($hostKey); $hashRing[$hostKey] = $h; } //从小到大排序,便于查找 ksort($hashRing); } //计算图片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"));
输出结果如下:
至于为什么使用fmod函数不适用求余运算符%,主要是因为pow(2,32)在32位操作系统上面,超高了PHP_INT_MAX,具体可以参考上一篇文章“PHP中对大数求余报错Uncaught pisionByZeroError: Modulo by zero”。
d、通过虚拟节点优化一致性hash算法
为了提高一致性hash算法的平衡性,我们首先能够想到的是,增加节点数,但是机器毕竟是需要经费啊,不是说增就能随意增,那就增加虚拟节点,这样就没毛病了。思路如下:
1、假设host1、host2、host3,都分别有3个虚拟节点,如host1的虚拟节点为host1_1、host1_2、host1_3
2、然后将所有的虚拟节点node(存储图片的服务器)通过hash计算后,对232取余,然后也映射到hash环上面,如下:
然后,接下来步骤同一致性hash算法一致,只是最后需要将虚拟节点,转为真实的节点。
PHP实现如下:
$hostsMap = ['img1.findme.wang', 'img2.findme.wang', 'img3.findme.wang']; $hashRing = []; function getImgSrc($imgName){ global $hostsMap; global $hashRing; $virtualNodeLen = 3; //每个节点的虚拟节点个数 //将节点映射到hash环上面 if (empty($hashRing)) { foreach($hostsMap as $h) { $i = 0; while($i < $virtualNodeLen){ $hostKey = fmod(crc32($h.'_'.$i) , pow(2,32)); $hostKey = abs($hostKey); $hashRing[$hostKey] = $h; $i++; } } //从小到大排序,便于查找 ksort($hashRing); } //计算图片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("login1.png")); var_dump(getImgSrc("login2.png")); var_dump(getImgSrc("login3.png"));
执行结果如下:
二、备注
1、取模与取余的区别?
取余,遵循尽可能让商向0靠近的原则
取模,遵循尽可能让商向负无穷靠近的原则
1、什么是CRC算法?
CRC(Cyclical Redundancy Check)即循环冗余码校验,主要用于数据校验,常用的有CRC16、CRC32,其中16、32代表多项式最高次幂。
以上就是PHP实现一致性哈希算法的详细介绍(代码示例)的详细内容,更多请关注其它相关文章!