序
在大型互联网应用架构中，通常由多台Memcache缓存服务器来构建Memcache集群，也叫做分布式Memcache。数据在写入缓存和从缓存中读取时，都会采用某中Hash算法，将数据Hash到某台具体的Memcache上，为了使应用在线的动态增加和移除Memcache服务器而不影响或很少影响其他已部署的Memcache服务器（也就是其他Memcache服务器中缓存的数据还能正常使用），这种Hash算法被称作为一致性Hash。
由一篇文章---Memcache分布式实现原理我们知道，Java_Memcahe支持一般Hash算法和实现应用中使用最广泛的一致性Hash算法，这两种算法都支持Server配置权重的虚拟节点Hash算法。下面我们由浅入深一一来探讨学习一下Java_Memcache的各种Hash 算法。
根据Memcache操作的步骤
SockIOPool sockpool= SockIOPool.getInstance();
//设置缓存服务器地址，可以设置多个实现分布式缓存
sockpool.setServers(new String[]{"127.0.0.1:11211","127.0.0.1:11212"});
//设置初始连接5
sockpool.setInitConn(5);
......
sockpool.initialize();//根据server以及一些配置信息初始化
memCache = new MemCachedClient();
//使用memcache操作数据memCache.get() & memCache.set()一般Hash算法
初始化
在SockIOPool类初始化时会调用SchoonerSocketIOPool的PopulateBuckets方法，保存好Server信息，以便后续操作数据时使用。
private void populateBuckets()
{
buckets = new ArrayList();
for(int i = 0; i < servers.length; i++)
{
if(weights != null && weights.length > i)
{
for(int j = 0; j < weights[i].intValue(); j++)
buckets.add(servers[i]);
} else
{
buckets.add(servers[i]);//按Server的个数保存好Server地址及端口
}
Object obj;
if(authInfo != null)
obj = new AuthSchoonerSockIOFactory(servers[i], isTcp, bufferSize, socketTO, socketConnectTO, nagle, authInfo);
else
obj = new SchoonerSockIOFactory(servers[i], isTcp, bufferSize, socketTO, socketConnectTO, nagle);
GenericObjectPool genericobjectpool = new GenericObjectPool(((org.apache.commons.pool.PoolableObjectFactory) (obj)), maxConn, (byte)1, maxIdle, maxConn);
((SchoonerSockIOFactory) (obj)).setSockets(genericobjectpool);
socketPool.put(servers[i], genericobjectpool);//保存好Server与对应的对象工厂，该工厂管理与Server建立Socket的连接
}
}在不考虑权重时，按Server的个数保存好Server信息，并保存与该server对应的对象工厂，用于管理与server建立Socket连接。
操作数据
在使用MemcacheClient进行get/set 时实际操作的是AscIIClient的get/set操作，由Memcache分布式原理我们知道，get方法最后执行的是get(String s, String s1, Integer integer, boolean flag)方法。
public class AscIIClient extends MemCachedClient
{
private Object get(String s, String s1, Integer integer, boolean flag)
{
SchoonerSockIO schoonersockio;
String s2;
......
s1 = sanitizeKey(s1);//UTF-8编码
schoonersockio = pool.getSock(s1, integer);//获取对应的memcache server socket，后续直接从该server上读取数据
......
}
}然后我们再看看pool.getSocket
public class SchoonerSockIOPool
{
public final SchoonerSockIO getSock(String s, Integer integer)
{
......
if(i == 1){
//这里作了一点优化，如果只有一台Memcache服务器，就直接拿List中的第一个Server，没必要后面去Hash
SchoonerSockIO schoonersockio = hashingAlg != 3 ? getConnection((String)buckets.get(0)) : getConnection((String)consistentBuckets.get(consistentBuckets.firstKey()));
return schoonersockio;
}
HashSet hashset = new HashSet(Arrays.asList(servers));
long l = getBucket(s, integer);//利用key--s的hashcode%Server个数，找到某个server在list中的位置
String s1 = hashingAlg != 3 ? (String)buckets.get((int)l) : (String)consistentBuckets.get(Long.valueOf(l));
do
{
if(hashset.isEmpty())
break;
SchoonerSockIO schoonersockio1 = getConnection(s1);//根据Server IP和商品，建立Socket
if(schoonersockio1 != null)
return schoonersockio1; //返回Socket
......
} while(true);
return null;
}
private final long getBucket(String s, Integer integer)
{
long l = getHash(s, integer);
......
long l1 = l % (long)buckets.size(); //利用HashCode % server个数
if(l1 < 0L)
l1 *= -1L;
return l1;
}
private final long getHash(String s, Integer integer)
{
if(integer != null)
if(hashingAlg == 3)
return integer.longValue() & 4294967295L;
else
return integer.longValue();
switch(hashingAlg)
{
case 0: // '\0'
return (long)s.hashCode();//直接返回key的hashCode
case 1: // '\001'
return origCompatHashingAlg(s);
case 2: // '\002'
return newCompatHashingAlg(s);
case 3: // '\003'
return md5HashingAlg(s);
}
hashingAlg = 0;
return (long)s.hashCode();
}小结： 在初始化时将所有的Memcache Server存放在List中，后面操作数据时，根据数据的HashCode % server个数，计算出数据真正操作在哪台Server上，然后再建立与该Server的socket连接，操作数据。
问题：在site上，如果后期动态增加或移除Memcache server，数据的hashcode没有发生变化，但是由于server数据发生变化，取模运算的模变化了，计算的结果也会发生变化，所有Memcache Server上的数据都会失效，这对后台数据库来说简单就是灾难。
基于权重的Hash算法
在上述算法中，利用取模运算，每台Memcache Server具体等同的概率被命中，但是在实际应用中，各个server的硬件，软件配置不同，都使用等同的命中率是不太合适的。例如，server A和C的可供Memcach使用内存都是2G，另外一台server B是8G，使用相同的命中率显然会浪费宝贵的内存资源。
为了解决这一问题，Memcache Client引入了权重的概念，算法会根据每台Server的权重来分配命中到该机器上的概率。例如：server A和C的权重都设置为2，server B的权重设置为8，那么A、C的命中率为2/12，B的命中率为8/12。话不多话，直接上代码。
private void populateBuckets()
{
buckets = new ArrayList();
for(int i = 0; i < servers.length; i++)
{
if(weights != null && weights.length > i)
{
//如果配置了权重，根据权重在list中保存server信息时增加虚拟server
for(int j = 0; j < weights[i].intValue(); j++)
buckets.add(servers[i]);
}
......结合前面的例子会更容易让人理解，在list中保存2次server A的信息，8次server B的信息，2次server C的信息，总共12个server。后面使用相同的Hash算法进行%12运算，根据概率的平均分布，list中每个server的概率都是1/12，但是其中2个server对应的是server A，8个server对应的是server B，2个server对应的是server C。
这样，根据各个server的权重就能决定server的数据命中率，以达到合理使用资源的要求了。
一致性Hash算法
初始化
在SockIOPool初始化时根据配置的hash算法完成初始化， SocketIOPool中hashingAlg ==3表示一致性Hash.
public class SchoonerSockIOPool
{
private TreeMap consistentBuckets;
......
private void populateConsistentBuckets()
{
consistentBuckets = new TreeMap();
MessageDigest messagedigest = (MessageDigest)MD5.get();
if(totalWeight.intValue() <= 0 && weights != null)
{
for(int i = 0; i < weights.length; i++)
{
SchoonerSockIOPool schoonersockiopool = this;
schoonersockiopool.totalWeight = Integer.valueOf(schoonersockiopool.totalWeight.intValue() + (weights[i] != null ? weights[i].intValue() : 1));
}
}
if(weights == null)
totalWeight = Integer.valueOf(servers.length);
for(int j = 0; j < servers.length; j++)
{
int k = 1;
if(weights != null && weights[j] != null)
k = weights[j].intValue();
double d = Math.floor((double)(40 * servers.length * k) / (double)totalWeight.intValue());
for(long l = 0L; (double)l < d; l++)
{
byte abyte0[] = messagedigest.digest((new StringBuilder()).append(servers[j]).append("-").append(l).toString().getBytes());
for(int i1 = 0; i1 < 4; i1++)
{
Long long1 = Long.valueOf((long)(abyte0[3 + i1 * 4] & 255) << 24 | (long)(abyte0[2 + i1 * 4] & 255) << 16 | (long)(abyte0[1 + i1 * 4] & 255) << 8 | (long)(abyte0[0 + i1 * 4] & 255));
consistentBuckets.put(long1, servers[j]);
}
}
Object obj;
if(authInfo != null)
obj = new AuthSchoonerSockIOFactory(servers[j], isTcp, bufferSize, socketTO, socketConnectTO, nagle, authInfo);
else
obj = new SchoonerSockIOFactory(servers[j], isTcp, bufferSize, socketTO, socketConnectTO, nagle);
GenericObjectPool genericobjectpool = new GenericObjectPool(((org.apache.commons.pool.PoolableObjectFactory) (obj)), maxConn, (byte)1, maxIdle, maxConn);
((SchoonerSockIOFactory) (obj)).setSockets(genericobjectpool);
socketPool.put(servers[j], genericobjectpool);
}
}上面的算法理解起来比较费力，先考虑只有没有配置权重的情况，算法简化为
for(int j = 0; j < servers.length; j++)
{
double d = 40;
for(long l = 0L; (double)l < 40 ; l++)
{
byte abyte0[] = messagedigest.digest((new StringBuilder()).append(servers[j]).append("-").append(l).toString().getBytes());
for(int i1 = 0; i1 < 4; i1++)
{
Long long1 = Long.valueOf((long)(abyte0[3 + i1 * 4] & 255) << 24 | (long)(abyte0[2 + i1 * 4] & 255) << 16 | (long)(abyte0[1 + i1 * 4] & 255) << 8 | (long)(abyte0[0 + i1 * 4] & 255));
consistentBuckets.put(long1, servers[j]);
}
}
}首先利用server信息进行MD5加密产生字符数组，然后最内层的for循环将字符数据分割成4片，每一片转换为32位的long值
a[3] a[2] a[1] a[0]
a[7] a[6] a[5] a[4]
a[11] a[10] a[9] a[8]5
a[15] a[14] a[13] a[12]
归根到底是为了保证每个long值的唯一性。
每台server都会保存160份信息在Map中。
操作数据
在使用MemcacheClient进行get/set 时实际操作的是AscIIClient的get/set操作，get方法最后执行的是get(String s, String s1, Integer integer, boolean flag)方法，先调用 pool.getSocket获取对应memache server的socket，然后再操作数据。
public class SchoonerSockIOPool
{
public final SchoonerSockIO getSock(String s, Integer integer)
{
......
HashSet hashset = new HashSet(Arrays.asList(servers));
long l = getBucket(s, integer);
String s1 = hashingAlg != 3 ? (String)buckets.get((int)l) : (String)consistentBuckets.get(Long.valueOf(l));
do
{
if(hashset.isEmpty())
break;
SchoonerSockIO schoonersockio1 = getConnection(s1);//根据Server IP和商品，建立Socket
if(schoonersockio1 != null)
return schoonersockio1; //返回Socket
......
} while(true);
return null;
}
private final long getBucket(String s, Integer integer)
{
long l = getHash(s, integer);
if(hashingAlg == 3)
return findPointFor(Long.valueOf(l)).longValue();
......
}
private final long getHash(String s, Integer integer)
{
......
switch(hashingAlg)
{
......
case 3: // '\003'
return md5HashingAlg(s);//返回key的MD5 hashCode
}
hashingAlg = 0;
return (long)s.hashCode();
}
private static long md5HashingAlg(String s)
{
//根据key值进行MD5加密，取前32位作为hashCode
MessageDigest messagedigest = (MessageDigest)MD5.get();
messagedigest.reset();
messagedigest.update(s.getBytes());
byte abyte0[] = messagedigest.digest();
long l = (long)(abyte0[3] & 255) << 24 | (long)(abyte0[2] & 255) << 16 | (long)(abyte0[1] & 255) << 8 | (long)(abyte0[0] & 255);
//在初始化时也用到了该值，只不过初始化时计算MD5是用的server信息
return l;
}
private final Long findPointFor(Long long1)
{
SortedMap sortedmap = consistentBuckets.tailMap(long1);
return sortedmap.isEmpty() ? (Long)consistentBuckets.firstKey() : (Long)sortedmap.firstKey();
}这里需要了解一下tailMap API
翻译过来就是该方法返回Map中key值大于或等于参数的所有元素的视图，对该视图的修改都会反映到Map中，反之对Map的修改也会反映到视图中。
在找到Hash值大于key Hash值的所有server后，使用第一个server。整个处理流程可以表示为下图。
小结：一致性Hash算法首先利用server信息进行MD5 Hash，将server映射到32位的圆环上(只取32位)，在操作数据时，用MD5对data进行Hash，将data映射到32位的圆环上(也取32位)，顺时针找到第一个Hash值比data Hash值大的server。
需要注意的是，该算法也加入了虚拟节点的思想，每节server进行MD5 Hash映射到圆环上时都虚拟到了很多个节点，在本例中每台server虚拟出了160个节点，这样做是为了保证数据能较均匀的分布到各个server上。
采用MD5 对server和data进行Hash时不依赖于其他server，因此Hash值的计算是一致性的，而仅仅在将data映射到某台server上时取决于第一个Hash值大于或等于data Hash值的server，在动态增加和移除server时仅会影响该server右边直到逆时针下一个server之间的data，而其他区间的data不受影响，该算法被广泛应用中Memcache集群中。
基于权重的一致性Hash算法
对于一般Hash算法，一致性Hash算法还有一个很重要的区别：在没有配置权重时，一致性Hash算法也会增加虚拟节点。基于权重的一致性Hash算法也是为了保证数据的命中率。
结合一般Hash算法中的例子，Server A的权重是2，Server B的权重是8，Server C的权重是2，在初始化populateConsistentBuckets 中，Server A会分配80个虚拟节点，Server B会分配320个虚拟节点，Server C会分配80个虚拟节点。
总结
通过对源码的分析，我们理清了Memcache 的一般Hash算法和一致性Hash算法，揭开了Memcache分布式算法的真实面目，在理解完算法后，我们是不是应该更加透澈地理解Memcache了呢？（写于2015-05-17）