Redis集群一致性Hash效果的代码演示

在微服务领域，使用Redis做缓存可并不是一件容易的事情。
像新浪、推特这样的应用，许许多多的热点数据全都存放在Redis这一层，打到DB层的请求并不多，可以说非常依赖缓存了。如果缓存挂掉，流量全部穿透到DB层，其必然不堪其重，整个系统也会随之瘫痪，后果非常严重。
由于缓存数据量很大，Redis快正是快在其基于内存的快速存取，而计算机的内存资源又是十分有限的，故分布式缓存集群面临着伸缩性的要求。

一致性Hash存在的意义

Redis集群中的各实例之间是并不知道对方的，需要在客户端实现路由法来将key路由到不同的redis节点。

该路由算法是关键，它必须让新上线的缓存服务器对整个分布式缓存集群影响最小，使得扩容后，整个缓存服务器集群中已经缓存的数据尽可能还被访问到。

若是使用一般的对key进行一次hash的算法，则会导致扩容后命中率极低。
如下表所示，当集群由3个节点扩容到4个节点时，会有75%的key无法命中。

hash(key)	hash(key)/3	hash(key)/4	是否命中
1	1	1	是
2	2	2	是
3	0	3	否
4	1	0	否
5	2	1	否
6	0	2	否
7	1	3	否
8	2	0	否
9	0	1	否
10	1	2	否
11	2	3	否
12	0	0	是

这可太糟糕了，当服务器数量为100台时，再增加一台新服务器，不能命中率将达到99%，这和整个缓存服务挂了一个效果。

而一致性Hash正是为了解决这个问题而出现的，该路由算法通过引入一个一致性Hash环，以及进一步增加虚拟节点层，来实现尽可能高的命中率。
使用该算法，当节点由n扩容为n+1时，命中率可保持在n/(n+1)左右。

关于该算法的具体原理与网上已经有一些说得很透彻的文章，本文不再赘述。
下面主要从代码实现及运行的方式来对此算法的效果进行展示。

本机部署多个Redis节点

要对一致性Hash进行验证，要做好准备工作，首先要有一个Redis集群。
这里我通过使用在本机上部署多个Redis实例指向不同端口来模拟这一形态。

建立项目目录：$ mkdir redis-conf
将redis的配置copy一份过来并复制为5份，分别命名为redis-6379.conf~redis-6383.conf。

需要对其内容进行一些修改才能正常启动，分别找到配置文件中的如下两行并对数字进行相应修改。

port 6379
pidfile /var/run/redis_6379.pid

然后就可以分别启动了：redis-server ./redis-6379 &

可以使用redis-cli -p 6379来指定连接的redis-server。
不妨进行一次尝试，比如在6379设置key 1 2，而到6380 get 1只能得到nil，说明它们是各自工作的，已经满足可以测试的条件。

不同的节点展示

代码实现

思路是这样的：
部署4个节点，从6379到6382，通过一致性Hash算法，将key: 0~99999共100000个key分别set到这4个服务器上，然后再部署一个节点6383，这时再从0到99999开始get一遍，统计get到的次数来验证命中率是否为期望的80%左右(4/5)。

一致性Hash算法的实现严重借鉴了这篇文章，使用红黑树来做数据结构，来实现log(n)的查找时间复杂度，使用FNV1_32_HASH哈希算法来尽可能使key与节点分布得更加均匀，引入了虚拟节点，来做负载均衡。

建议读者详细看下这篇文章，里面的讲解非常详细易懂。

下面是我改写过后的代码：

package org.guerbai.io.jedistry;

import redis.clients.jedis.Jedis;
import java.util.*;

class JedisProxy {

   private static String[][] redisNodeList = {
           {"localhost", "6379"},
           {"localhost", "6380"},
           {"localhost", "6381"},
           {"localhost", "6382"},
   };

   private static Map<String, Jedis> serverConnectMap = new HashMap<>();

   private static SortedMap<Integer, String> virtualNodes = new TreeMap<>();

   private static final int VIRTUAL_NODES = 100;

   static
   {
       for (String[] str: redisNodeList)
       {
           addServer(str[0], str[1]);
       }
       System.out.println();
   }

   private static int getHash(String str)
   {
       final int p = 16777619;
       int hash = (int)2166136261L;
       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;

       // 如果算出来的值为负数则取其绝对值
       if (hash < 0)
           hash = Math.abs(hash);
       return hash;
   }

   private static String getServer(String node)
   {
       // 得到带路由的结点的Hash值
       int hash = getHash(node);
       // 得到大于该Hash值的所有Map
       SortedMap<Integer, String> subMap =
               virtualNodes.tailMap(hash);
       // 第一个Key就是顺时针过去离node最近的那个结点
       if (subMap.isEmpty()) {
           subMap = virtualNodes.tailMap(0);
       }
       Integer i = subMap.firstKey();
       // 返回对应的虚拟节点名称，这里字符串稍微截取一下
       String virtualNode = subMap.get(i);
       return virtualNode.substring(0, virtualNode.indexOf("&&"));
   }

   public static void addServer(String ip, String port) {
       for (int i = 0; i < VIRTUAL_NODES; i++)
       {
           String virtualNodeName = ip + ":" + port + "&&VN" + String.valueOf(i);
           int hash = getHash(virtualNodeName);
           System.out.println("虚拟节点[" + virtualNodeName + "]被添加, hash值为" + hash);
           virtualNodes.put(hash, virtualNodeName);
       }
       serverConnectMap.put(ip+":"+port, new Jedis(ip, Integer.parseInt(port)));
   }

   public String get(String key) {
       String server = getServer(key);
       Jedis serverConnector = serverConnectMap.get(server);
       if (serverConnector.get(key) == null) {
           System.out.println(key + "not in host: " + server);
       }
       return serverConnector.get(key);
   }

   public void set(String key, String value) {
       String server = getServer(key);
       Jedis serverConnector = serverConnectMap.get(server);
       serverConnector.set(key, value);
       System.out.println("set " + key + " into host: " + server);
   }

   public void flushdb() {
       for (String str: serverConnectMap.keySet()) {
           System.out.println("清空host: " + str);
           serverConnectMap.get(str).flushDB();
       }
   }

   public float targetPercent(List<String> keyList) {
       int mingzhong = 0;
       for (String key: keyList) {
           String server = getServer(key);
           Jedis serverConnector = serverConnectMap.get(server);
           if (serverConnector.get(key) != null) {
               mingzhong++;
           }
       }
       return (float) mingzhong / keyList.size();
   }

}

public class ConsistencyHashDemo {

   public static void main(String[] args) {
       JedisProxy jedis = new JedisProxy();
       jedis.flushdb();
       List<String> keyList = new ArrayList<>();
       for (int i=0; i<100000; i++) {
           keyList.add(Integer.toString(i));
           jedis.set(Integer.toString(i), "value");
       }
       System.out.println("target percent before add a server node: " + jedis.targetPercent(keyList));
       JedisProxy.addServer("localhost", "6383");
       System.out.println("target percent after add a server node: " + jedis.targetPercent(keyList));
   }
}

以上代码对参考文章进行了一些改进。
首先，参考文章的getServer方法会有些问题，当key大于最大的虚拟节点hash值时tailMap方法会返回空，找不到节点会报错，其实这时应该去找hash值最小的一个虚拟节点。我加了处理，把这个环连上了。
下面getHash方法为FNV1_32_HASH算法，可以不用太在意。
VIRTUAL_NODES的值比较重要，当节点数目较少时，虚拟节点数目越大，命中率越高。

在程序设计上也有很大的不同，我写了JedisProxy类，来做为client访问Redis的中间层，在该类的static块中利用服务器节点生成虚拟节点构造好红黑树，getServer里根据tailMap方法取出实际节点的地址，再由实际节点的地址直接拿到jedis对象，提供简单的get与set方法，先根据key拿特定的jedis对象，再进行get, set操作。

addServer静态方法给了其动态扩容的能力，可以看到在main方法中，通过调用JedisProxy.addServer("localhost", "6383")便直接增加了节点，不需要停应用。
targetPercent方法是用来统计命中率用。

当虚拟节点为5时，命中率约为60%左右，把它加大到100后，可以到达预期的80%的命中率。

测试结果

好的，完美。