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PHP实现的一致性Hash算法详解【分布式算法】
日期：2021-09-06 20:05:29 来源：脚本之家

本文实例讲述了PHP实现的一致性Hash算法。分享给大家供大家参考，具体如下：

一致性哈希算法是分布式系统中常用的算法，为什么要用这个算法？

比如：一个分布式存储系统，要将数据存储到具体的节点（服务器）上，在服务器数量不发生改变的情况下，如果采用普通的hash再对服务器总数量取模的方法（如key%服务器总数量），如果期间有服务器宕机了或者需要增加服务器，问题就出来了。同一个key经过hash之后，再与服务器总数量取模的结果跟之前的结果会不一样，这就导致了之前保存数据的丢失。因此，引入了一致性Hash（Consistent Hashing）分布算法

把数据用hash函数（如md5，sha1)，映射到一个圆环上，如上图所示，数据在存储时，先根据hash算法算出key的hash值，对应到这个环中的位置，如k1对应图中所示的位置同，然后沿着顺时针方向找到服务器节点B，然后把k1在存到B这个节点中。

如果B节点宕机了，则B上的数据就会落到C节点上，如下图所示

这样，只会影响C节点，对于其他节点A、D的数据不会造成影响。但是问题来了，这样会造成C节点负载过重的情况，因为C节点承担了B节点的数据，所以C节点容易宕机，这样造成了分布不均匀。

为了解决这个问题，引入了“虚拟节点“的概念：即想象空上环上有很多”虚拟节点“，一个真实的服务器节点对应多个虚拟节点，数据存储的时候沿着环的顺时针方向找到虚拟节点，就找到了对应的真实服务器节点。如下图

图中的A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2都是虚拟节点，机器A负载存储A1、A2的数据，机器B负载存储B1、B2的数据，机器C负载存储C1、C2的数据。由于这些虚拟节点数量很多，均匀分布，因此不会造成“雪崩”现象。

一致性哈希算法的PHP实现

下面给出一个接口

/**
 * 一致性哈希实现接口
 * Interface ConsistentHash
 */
interface ConsistentHash
{
 //将字符串转为hash值
 public function cHash($str);
 //添加一台服务器到服务器列表中
 public function addServer($server);
 //从服务器删除一台服务器
 public function removeServer($server);
 //在当前的服务器列表中找到合适的服务器存放数据
 public function lookup($key);
}

这个接口分别定义了4个方法，cHash（将字符串处理为hash值）、addServer（增加一台服务器）、removeServer（移除一台服务器）、lookup（找到一台服务器来存储数据）

下面给出一个该接口的具体实现

/**
 * 具体一致性哈希实现
 * author chenqionghe
 * Class MyConsistentHash
 */
class MyConsistentHash implements ConsistentHash
{
 public $serverList = array(); //服务器列列表
 public $virtualPos = array(); //虚拟节点的位置
 public $virtualPosNum = 5;  //每个节点对应5个虚节点
 /**
  * 将字符串转换成32位无符号整数hash值
  * @param $str
  * @return int
  */
 public function cHash($str)
 {
  $str = md5($str);
  return sprintf('%u', crc32($str));
 }
 /**
  * 在当前的服务器列表中找到合适的服务器存放数据
  * @param $key 键名
  * @return mixed 返回服务器IP地址
  */
 public function lookup($key)
 {
  $point = $this->cHash($key);//落点的hash值
  $finalServer = current($this->virtualPos);//先取圆环上最小的一个节点当成结果
  foreach($this->virtualPos as $pos=>$server)
  {
   if($point <= $pos)
   {
    $finalServer = $server;
    break;
   }
  }
  reset($this->virtualPos);//重置圆环的指针为第一个
  return $finalServer;
 }
 /**
  * 添加一台服务器到服务器列表中
  * @param $server 服务器IP地址
  * @return bool
  */
 public function addServer($server)
 {
  if(!isset($this->serverList[$server]))
  {
   for($i=0; $i<$this->virtualPosNum; $i++)
   {
    $pos = $this->cHash($server . '-' . $i);
    $this->virtualPos[$pos] = $server;
    $this->serverList[$server][] = $pos;
   }
   ksort($this->virtualPos,SORT_NUMERIC);
  }
  return TRUE;
 }
 /**
  * 移除一台服务器（循环所有的虚节点，删除值为该服务器地址的虚节点）
  * @param $key
  * @return bool
  */
 public function removeServer($key)
 {
  if(isset($this->serverList[$key]))
  {
   //删除对应虚节点
   foreach($this->serverList[$key] as $pos)
   {
    unset($this->virtualPos[$pos]);
   }
   //删除对应服务器
   unset($this->serverList[$key]);
  }
  return TRUE;
 }
}

然后，我们来测试一下该算法

$hashServer = new MyConsistentHash();
$hashServer->addServer('192.168.1.1');
$hashServer->addServer('192.168.1.2');
$hashServer->addServer('192.168.1.3');
$hashServer->addServer('192.168.1.4');
$hashServer->addServer('192.168.1.5');
$hashServer->addServer('192.168.1.6');
$hashServer->addServer('192.168.1.7');
$hashServer->addServer('192.168.1.8');
$hashServer->addServer('192.168.1.9');
$hashServer->addServer('192.168.1.10');
echo "增加十台服务器192.168.1.1~192.168.1.10<br />";
echo "保存 key1 到 server :".$hashServer->lookup('key1') . '<br />';
echo "保存 key2 到 server :".$hashServer->lookup('key2') . '<br />';
echo "保存 key3 到 server :".$hashServer->lookup('key3') . '<br />';
echo "保存 key4 到 server :".$hashServer->lookup('key4') . '<br />';
echo "保存 key5 到 server :".$hashServer->lookup('key5') . '<br />';
echo "保存 key6 到 server :".$hashServer->lookup('key6') . '<br />';
echo "保存 key7 到 server :".$hashServer->lookup('key7') . '<br />';
echo "保存 key8 到 server :".$hashServer->lookup('key8') . '<br />';
echo "保存 key9 到 server :".$hashServer->lookup('key9') . '<br />';
echo "保存 key10 到 server :".$hashServer->lookup('key10') . '<br />';
echo '<hr />';
echo "移除一台服务器192.168.1.2<br />";
$hashServer->removeServer('192.168.1.2');
echo "保存 key1 到 server :".$hashServer->lookup('key1') . '<br />';
echo "保存 key2 到 server :".$hashServer->lookup('key2') . '<br />';
echo "保存 key3 到 server :".$hashServer->lookup('key3') . '<br />';
echo "保存 key4 到 server :".$hashServer->lookup('key4') . '<br />';
echo "保存 key5 到 server :".$hashServer->lookup('key5') . '<br />';
echo "保存 key6 到 server :".$hashServer->lookup('key6') . '<br />';
echo "保存 key7 到 server :".$hashServer->lookup('key7') . '<br />';
echo "保存 key8 到 server :".$hashServer->lookup('key8') . '<br />';
echo "保存 key9 到 server :".$hashServer->lookup('key9') . '<br />';
echo "保存 key10 到 server :".$hashServer->lookup('key10') . '<br />';
echo '<hr />';
echo "移除一台服务器192.168.1.6<br />";
$hashServer->removeServer('192.168.1.6');
echo "保存 key1 到 server :".$hashServer->lookup('key1') . '<br />';
echo "保存 key2 到 server :".$hashServer->lookup('key2') . '<br />';
echo "保存 key3 到 server :".$hashServer->lookup('key3') . '<br />';
echo "保存 key4 到 server :".$hashServer->lookup('key4') . '<br />';
echo "保存 key5 到 server :".$hashServer->lookup('key5') . '<br />';
echo "保存 key6 到 server :".$hashServer->lookup('key6') . '<br />';
echo "保存 key7 到 server :".$hashServer->lookup('key7') . '<br />';
echo "保存 key8 到 server :".$hashServer->lookup('key8') . '<br />';
echo "保存 key9 到 server :".$hashServer->lookup('key9') . '<br />';
echo "保存 key10 到 server :".$hashServer->lookup('key10') . '<br />';
echo '<hr />';
echo "移除一台服务器192.168.1.8<br />";
$hashServer->removeServer('192.168.1.8');
echo "保存 key1 到 server :".$hashServer->lookup('key1') . '<br />';
echo "保存 key2 到 server :".$hashServer->lookup('key2') . '<br />';
echo "保存 key3 到 server :".$hashServer->lookup('key3') . '<br />';
echo "保存 key4 到 server :".$hashServer->lookup('key4') . '<br />';
echo "保存 key5 到 server :".$hashServer->lookup('key5') . '<br />';
echo "保存 key6 到 server :".$hashServer->lookup('key6') . '<br />';
echo "保存 key7 到 server :".$hashServer->lookup('key7') . '<br />';
echo "保存 key8 到 server :".$hashServer->lookup('key8') . '<br />';
echo "保存 key9 到 server :".$hashServer->lookup('key9') . '<br />';
echo "保存 key10 到 server :".$hashServer->lookup('key10') . '<br />';
echo '<hr />';
echo "移除一台服务器192.168.1.2<br />";
$hashServer->removeServer('192.168.1.2');
echo "保存 key1 到 server :".$hashServer->lookup('key1') . '<br />';
echo "保存 key2 到 server :".$hashServer->lookup('key2') . '<br />';
echo "保存 key3 到 server :".$hashServer->lookup('key3') . '<br />';
echo "保存 key4 到 server :".$hashServer->lookup('key4') . '<br />';
echo "保存 key5 到 server :".$hashServer->lookup('key5') . '<br />';
echo "保存 key6 到 server :".$hashServer->lookup('key6') . '<br />';
echo "保存 key7 到 server :".$hashServer->lookup('key7') . '<br />';
echo "保存 key8 到 server :".$hashServer->lookup('key8') . '<br />';
echo "保存 key9 到 server :".$hashServer->lookup('key9') . '<br />';
echo "保存 key10 到 server :".$hashServer->lookup('key10') . '<br />';
echo '<hr />';
echo "增加一台服务器192.168.1.11<br />";
$hashServer->addServer('192.168.1.11');
echo "保存 key1 到 server :".$hashServer->lookup('key1') . '<br />';
echo "保存 key2 到 server :".$hashServer->lookup('key2') . '<br />';
echo "保存 key3 到 server :".$hashServer->lookup('key3') . '<br />';
echo "保存 key4 到 server :".$hashServer->lookup('key4') . '<br />';
echo "保存 key5 到 server :".$hashServer->lookup('key5') . '<br />';
echo "保存 key6 到 server :".$hashServer->lookup('key6') . '<br />';
echo "保存 key7 到 server :".$hashServer->lookup('key7') . '<br />';
echo "保存 key8 到 server :".$hashServer->lookup('key8') . '<br />';
echo "保存 key9 到 server :".$hashServer->lookup('key9') . '<br />';
echo "保存 key10 到 server :".$hashServer->lookup('key10') . '<br />';
echo '<hr />';

运行结果如下

增加十台服务器192.168.1.1~192.168.1.10
保存 key1 到 server :192.168.1.2
保存 key2 到 server :192.168.1.1
保存 key3 到 server :192.168.1.6
保存 key4 到 server :192.168.1.8
保存 key5 到 server :192.168.1.9
保存 key6 到 server :192.168.1.10
保存 key7 到 server :192.168.1.7
保存 key8 到 server :192.168.1.4
保存 key9 到 server :192.168.1.7
保存 key10 到 server :192.168.1.4
移除一台服务器192.168.1.2
保存 key1 到 server :192.168.1.7
保存 key2 到 server :192.168.1.1
保存 key3 到 server :192.168.1.6
保存 key4 到 server :192.168.1.8
保存 key5 到 server :192.168.1.9
保存 key6 到 server :192.168.1.10
保存 key7 到 server :192.168.1.7
保存 key8 到 server :192.168.1.4
保存 key9 到 server :192.168.1.7
保存 key10 到 server :192.168.1.4
移除一台服务器192.168.1.6
保存 key1 到 server :192.168.1.7
保存 key2 到 server :192.168.1.1
保存 key3 到 server :192.168.1.3
保存 key4 到 server :192.168.1.8
保存 key5 到 server :192.168.1.9
保存 key6 到 server :192.168.1.10
保存 key7 到 server :192.168.1.7
保存 key8 到 server :192.168.1.4
保存 key9 到 server :192.168.1.7
保存 key10 到 server :192.168.1.4
移除一台服务器192.168.1.8
保存 key1 到 server :192.168.1.7
保存 key2 到 server :192.168.1.1
保存 key3 到 server :192.168.1.3
保存 key4 到 server :192.168.1.10
保存 key5 到 server :192.168.1.9
保存 key6 到 server :192.168.1.10
保存 key7 到 server :192.168.1.7
保存 key8 到 server :192.168.1.4
保存 key9 到 server :192.168.1.7
保存 key10 到 server :192.168.1.4
移除一台服务器192.168.1.2
保存 key1 到 server :192.168.1.7
保存 key2 到 server :192.168.1.1
保存 key3 到 server :192.168.1.3
保存 key4 到 server :192.168.1.10
保存 key5 到 server :192.168.1.9
保存 key6 到 server :192.168.1.10
保存 key7 到 server :192.168.1.7
保存 key8 到 server :192.168.1.4
保存 key9 到 server :192.168.1.7
保存 key10 到 server :192.168.1.4
增加一台服务器192.168.1.11
保存 key1 到 server :192.168.1.7
保存 key2 到 server :192.168.1.1
保存 key3 到 server :192.168.1.11
保存 key4 到 server :192.168.1.10
保存 key5 到 server :192.168.1.9
保存 key6 到 server :192.168.1.10
保存 key7 到 server :192.168.1.7
保存 key8 到 server :192.168.1.4
保存 key9 到 server :192.168.1.7
保存 key10 到 server :192.168.1.4