Java 實(shí)現(xiàn)一致的 Hash 算法手把手教你

實(shí)現(xiàn)
主要實(shí)現(xiàn)基本功能婴氮,不考慮泛型博助、增刪節(jié)點(diǎn)等功能。

主要包括 3 個(gè)類蒸痹。

Cache 接口
定義了 get, put, evict 3 個(gè)

public interface Cache {

Object get(Object key);


void put(Object key, Object value);


void evict(Object key);

}
復(fù)制代碼

HashUtils 類
提供了求 hash 的工具方法僻爽,采用 FNV1_32_HASH 算法虫碉。

public class HashUtils {

/**
 * FNV1_32_HASH
 *
 * @param obj
 *         object
 * @return hashcode
 */
public static int hashcode(Object obj) {
    final int p = 16777619;
    int hash = (int) 2166136261L;
    String str = obj.toString();
    for (int i = 0; i < str.length(); i++)
        hash = (hash ^ str.charAt(i)) * p;
    hash += hash << 13;
    hash ^= hash >> 7;
    hash += hash << 3;
    hash ^= hash >> 17;
    hash += hash << 5;


    if (hash < 0)
        hash = Math.abs(hash);
    return hash;
}

}
復(fù)制代碼

Node 類
實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)建物理節(jié)點(diǎn)以及虛擬節(jié)點(diǎn)的功能,包括 插數(shù)據(jù)胸梆、查數(shù)據(jù)和刪數(shù)據(jù) 3 個(gè)方法敦捧。

虛擬節(jié)點(diǎn)的 Key 直接采用 "<IP>#1", "<IP>#2" 的格式,且每個(gè)物理節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)數(shù)為 200碰镜。

一些常量直接寫死兢卵,未作可配置處理。

public class Node {

private static final int VIRTUAL_NODE_NO_PER_NODE = 200;


private final String ip;


private final List<Integer> virtualNodeHashes = new ArrayList<>(VIRTUAL_NODE_NO_PER_NODE);


private final Map<Object, Object> cacheMap = new HashMap<>();


public Node(String ip) {
    Objects.requireNonNull(ip);
    this.ip = ip;
    initVirtualNodes();
}


private void initVirtualNodes() {
    String virtualNodeKey;
    for (int i = 1; i <= VIRTUAL_NODE_NO_PER_NODE; i++) {
        virtualNodeKey = ip + "#" + i;
        virtualNodeHashes.add(HashUtils.hashcode(virtualNodeKey));
    }
}


public void addCacheItem(Object key, Object value) {
    cacheMap.put(key, value);
}


public Object getCacheItem(Object key) {
    return cacheMap.get(key);
}


public void removeCacheItem(Object key) {
    cacheMap.remove(key);
}


public List<Integer> getVirtualNodeHashes() {
    return virtualNodeHashes;
}


public String getIp() {
    return ip;
}


public Map<Object, Object> getCacheMap() {
    return cacheMap;
}

}
復(fù)制代碼

ConsistentHashCache 類
一致性 hash 實(shí)現(xiàn)類绪颖,主要實(shí)現(xiàn)了 put秽荤,get 和 evict 方法。

其中菠发,查找 Key 對(duì)應(yīng)的虛擬節(jié)點(diǎn)直接采用了 Java 庫(kù)的 TreeMap 類來(lái)實(shí)現(xiàn)王滤。

此外,還提供了求標(biāo)準(zhǔn)差的工具方法滓鸠。

public class ConsistentHashCache implements Cache {

private final List<Node> nodeList = new ArrayList<>();
private final NavigableMap<Integer, Node> hashRing = new TreeMap<>();


public ConsistentHashCache(Collection<String> ips) {
    for (String ip : ips) {
        addNode(ip);
    }
}


public void addNode(String ip) {
    Objects.requireNonNull(ip);
    Node node = new Node(ip);
    nodeList.add(node);
    for (Integer virtualNodeHash : node.getVirtualNodeHashes()) {
        hashRing.put(virtualNodeHash, node);
    }
}


@Override
public Object get(Object key) {
    return findMatchNode(key).getCacheItem(key);
}


@Override
public void put(Object key, Object value) {
    findMatchNode(key).addCacheItem(key, value);
}


@Override
public void evict(Object key) {
    findMatchNode(key).removeCacheItem(key);
}


private Node findMatchNode(Object key) {
    Map.Entry<Integer, Node> entry = hashRing.ceilingEntry(HashUtils.hashcode(key));
    if (entry == null) {
        entry = hashRing.firstEntry();
    }
    return entry.getValue();
}


public List<Node> getNodeList() {
    return nodeList;
}


public double standardDeviation(int totalItems) {
    double sum = 0;
    int average = totalItems / nodeList.size();
    for (Node node : nodeList) {
        sum += Math.pow(node.getCacheMap().size() - average, 2);
    }
    return Math.sqrt(sum / nodeList.size());
}

}
復(fù)制代碼

測(cè)試及標(biāo)準(zhǔn)差
測(cè)試的 Key 采用 String 類型,隨機(jī)值利用 Apache Common Lang 的工具類來(lái)生成第喳。

節(jié)點(diǎn)數(shù) 采用 10 個(gè)節(jié)點(diǎn)糜俗。

public class ConsistentHashCacheTest {

public static final String IP_PREFIX = "10.0.";


public static final int NODE_SIZE = 10;
public static final int STRING_COUNT = 1000 * 1000;


private static final Random random = new Random();


private static Cache cache;


private static List<String> sList = new ArrayList<>();


@BeforeClass
public static void setup() {
    Set<String> ipSet = new HashSet<>();
    do {
        String ip = new StringBuilder(IP_PREFIX).append(random.nextInt(255)).append(".").append(random.nextInt(255))
                .toString();
        if (!ipSet.contains(ip)) {
            ipSet.add(ip);
        }
    } while (ipSet.size() < NODE_SIZE);


    for (int i = 0; i < STRING_COUNT; i++) {
        sList.add(RandomStringUtils.randomAlphanumeric(10));
    }


    cache = new ConsistentHashCache(ipSet);
}


@Test
public void test() {
    for (String s : sList) {
        cache.put(s, s);
    }


    Assert.assertEquals(sList.get(1), cache.get(sList.get(1)));
    Assert.assertEquals(sList.get(10), cache.get(sList.get(10)));
    Assert.assertEquals(sList.get(100), cache.get(sList.get(100)));
    Assert.assertEquals(sList.get(1000), cache.get(sList.get(1000)));
    Assert.assertEquals(sList.get(10000), cache.get(sList.get(10000)));
    Assert.assertEquals(sList.get(100000), cache.get(sList.get(100000)));
    Assert.assertEquals(sList.get(999999), cache.get(sList.get(999999)));


    for (Node node : ((ConsistentHashCache) cache).getNodeList()) {
        System.out.println(node.getIp() + " -> " + node.getCacheMap().size());
    }


    System.out.println("Standard Deviation: " + ((ConsistentHashCache) cache).standardDeviation(STRING_COUNT));
}

}
復(fù)制代碼

測(cè)試結(jié)果
10.0.254.202 -> 97792
10.0.71.172 -> 92942
10.0.149.126 -> 109542
10.0.198.178 -> 91354
10.0.197.26 -> 96427
10.0.249.213 -> 102239
10.0.118.66 -> 90961
10.0.114.202 -> 103897
10.0.206.226 -> 103859
10.0.5.53 -> 110987

Standard Deviation: 6861.2632801839045
復(fù)制代碼

多次測(cè)試,標(biāo)準(zhǔn)層大致分布在 4000 ~ 9000 之間曲饱。

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