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      一致性Hash算法(KetamaHash)的c#實(shí)現(xiàn)

       命運(yùn)之輪 2011-12-21

      最近在研究"一致性HASH算法"(Consistent Hashing),用于解決memcached集群中當(dāng)服務(wù)器出現(xiàn)增減變動(dòng)時(shí)對(duì)散列值的影響。后來 在JAVAEYE上的一篇文章中,找到了其中的 KetamaHash 算法的JAVA實(shí)現(xiàn)(一種基于虛擬結(jié)點(diǎn)的HASH算法),于是為了加深理解,對(duì)照 JAVA版本,用C#重寫了一個(gè)。放到這里,如果大家感興趣的話, 可以下載測(cè)試一下,如果發(fā)現(xiàn)寫法有問題請(qǐng)及時(shí)告之我,以便我及時(shí)修正。 
       
            下面是對(duì)Ketama的介紹: 

       Ketama is an implementation of a consistent hashing algorithm, meaning you can add or remove servers from the memcached pool without causing a complete remap of all keys. 
       Here’s how it works: 
       * Take your list of servers (eg: 1.2.3.4:11211, 5.6.7.8:11211, 9.8.7.6:11211) 
       * Hash each server string to several (100-200) unsigned ints 
       * Conceptually, these numbers are placed on a circle called the continuum. (imagine a clock face that goes from 0 to 2^32) 
       * Each number links to the server it was hashed from, so servers appear at several points on the continuum, by each of the numbers they hashed to. 
       * To map a key->server, hash your key to a single unsigned int, and find the next biggest number on the continuum. The server linked to that number is the correct server for that key. 
       * If you hash your key to a value near 2^32 and there are no points on the continuum greater than your hash, return the first server in the continuum. 
       If you then add or remove a server from the list, only a small proportion of keys end up mapping to different servers.

       

           
            我的理解,這類方法其實(shí)有點(diǎn)像大學(xué)里的微積分的思想(通過連續(xù)函數(shù)的取值區(qū)間來計(jì)算圖形面積)。通過把已知的實(shí)結(jié)點(diǎn)(memcached服務(wù)IP端口)列表結(jié)成一個(gè)圓,然后在兩兩實(shí)結(jié)點(diǎn)之間“放置”盡可能多的虛擬節(jié)點(diǎn)(上面文中的unsigned ints), 假設(shè)用戶數(shù)據(jù)映射在虛擬節(jié)點(diǎn)上(用戶數(shù)據(jù)真正存儲(chǔ)位置是在該虛擬節(jié)點(diǎn)代表的實(shí)際物理服務(wù)器上),這樣就能抑制分布不均勻,最大限度地減小服務(wù)器增減時(shí)的緩存重新分布。如下圖:

         

              

           下面是添加結(jié)點(diǎn)時(shí):
          
               
               
         

            如這篇文章所說(總結(jié)一致性哈希(Consistent Hashing) ):
         
            Consistent Hashing最大限度地抑制了hash鍵的重新分布。另外要取得比較好的負(fù)載均衡的效果,往往在服務(wù)器數(shù)量比較少的時(shí)候需要增加虛擬節(jié)點(diǎn)來保證服務(wù)器能均勻的分布在圓環(huán)上。因?yàn)槭褂靡话愕膆ash方法,服務(wù)器的映射地點(diǎn)的分布非常不均勻。使用虛擬節(jié)點(diǎn)的思想,為每個(gè)物理節(jié)點(diǎn)(服務(wù)器)在圓上分配100~200個(gè)點(diǎn)。這樣就能抑制分布不均勻,最大限度地減小服務(wù)器增減時(shí)的緩存重新分布。用戶數(shù)據(jù)映射在虛擬節(jié)點(diǎn)上,就表示用戶數(shù)據(jù)真正存儲(chǔ)位置是在該虛擬節(jié)點(diǎn)代表的實(shí)際物理服務(wù)器上。

             了解了原理,下面看一下具體實(shí)現(xiàn)。

             JAVA實(shí)現(xiàn)代碼取自Spy Memcached client中的類,原文的作者也盡可能的對(duì)代碼進(jìn)行注釋說明,所以讓我剩了不少時(shí)間。
         
             下面是相應(yīng)的.NET實(shí)現(xiàn)(注釋參考JAVA版本):    

      public class KetamaNodeLocator
      {
          
      //原文中的JAVA類TreeMap實(shí)現(xiàn)了Comparator方法,這里我圖省事,直接用了net下的SortedList,其中Comparer接口方法)
          private SortedList<longstring> ketamaNodes = new SortedList<longstring>();
          
      private HashAlgorithm hashAlg;
          
      private int numReps = 160;

          
      //此處參數(shù)與JAVA版中有區(qū)別,因?yàn)槭褂玫撵o態(tài)方法,所以不再傳遞HashAlgorithm alg參數(shù)
          public KetamaNodeLocator(List<string> nodes, int nodeCopies)
          {
              ketamaNodes 
      = new SortedList<longstring>();

              numReps 
      = nodeCopies;
              
      //對(duì)所有節(jié)點(diǎn),生成nCopies個(gè)虛擬結(jié)點(diǎn)
              foreach (string node in nodes)
              {
                  
      //每四個(gè)虛擬結(jié)點(diǎn)為一組
                  for (int i = 0; i < numReps / 4; i++)
                  {
                      
      //getKeyForNode方法為這組虛擬結(jié)點(diǎn)得到惟一名稱 
                      byte[] digest = HashAlgorithm.computeMd5(node + i);
                      
      /** Md5是一個(gè)16字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)組,將16字節(jié)的數(shù)組每四個(gè)字節(jié)一組,分別對(duì)應(yīng)一個(gè)虛擬結(jié)點(diǎn),這就是為什么上面把虛擬結(jié)點(diǎn)四個(gè)劃分一組的原因*/  
                      
      for (int h = 0; h < 4; h++)
                      {
                          
      long m = HashAlgorithm.hash(digest, h);
                          ketamaNodes[m] 
      = node;
                      }
                  }
              }
          }

          
      public string GetPrimary(string k)
          {
              
      byte[] digest = HashAlgorithm.computeMd5(k);
              
      string rv = GetNodeForKey(HashAlgorithm.hash(digest, 0));
              
      return rv;
          }

          
      string GetNodeForKey(long hash)
          {
              
      string rv;
              
      long key = hash;
              
      //如果找到這個(gè)節(jié)點(diǎn),直接取節(jié)點(diǎn),返回   
              if (!ketamaNodes.ContainsKey(key))
              {
                  
      //得到大于當(dāng)前key的那個(gè)子Map,然后從中取出第一個(gè)key,就是大于且離它最近的那個(gè)key 說明詳見: http://www./topic/684087
                  var tailMap = from coll in ketamaNodes
                                
      where coll.Key > hash
                                select 
      new { coll.Key };
                  
      if (tailMap == null || tailMap.Count() == 0)
                      key 
      = ketamaNodes.FirstOrDefault().Key;
                  
      else
                      key 
      = tailMap.FirstOrDefault().Key;
              }
              rv 
      = ketamaNodes[key];
              
      return rv;
          }
      }

       

          
          
            下面的代碼與JAVA中有所不同,它使用靜態(tài)方法實(shí)現(xiàn):    

      public class HashAlgorithm
      {
          
      public static long hash(byte[] digest, int nTime)
          {
              
      long rv = ((long)(digest[3 + nTime * 4& 0xFF<< 24)
                      
      | ((long)(digest[2 + nTime * 4& 0xFF<< 16)
                      
      | ((long)(digest[1 + nTime * 4& 0xFF<< 8)
                      
      | ((long)digest[0 + nTime * 4& 0xFF);

              
      return rv & 0xffffffffL/* Truncate to 32-bits */
          }

          
      /**
           * Get the md5 of the given key.
           
      */
          
      public static byte[] computeMd5(string k)
          {
              MD5 md5 
      = new MD5CryptoServiceProvider();
             
              
      byte[] keyBytes = md5.ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(k));
              md5.Clear();
              
      //md5.update(keyBytes);
              
      //return md5.digest();
              return keyBytes;
          }
      }

       

          
          
             下面是.net版本下的測(cè)試結(jié)果
         
             分布平均性測(cè)試:測(cè)試隨機(jī)生成的眾多key是否會(huì)平均分布到各個(gè)結(jié)點(diǎn)上測(cè)試結(jié)果如下:     
          
               
          
            最上面一行是參數(shù)說明,節(jié)點(diǎn)數(shù)目,總共有多少key,每個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該分配key的比例是多少。下面是每個(gè)結(jié)點(diǎn)分配到key的數(shù)目和比例。 多次測(cè)試后發(fā)現(xiàn),這個(gè)Hash算法的節(jié)點(diǎn)分布都在標(biāo)準(zhǔn)比例左右徘徊。


            節(jié)點(diǎn)增刪測(cè)試:在環(huán)上插入N個(gè)結(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)nCopies個(gè)虛擬結(jié)點(diǎn)。隨機(jī)生成眾多key,在增刪節(jié)點(diǎn)時(shí),測(cè)試同一個(gè)key選擇相同節(jié)點(diǎn)的概率,測(cè)試如果如下:

       
                  

            上面三行分別是正常情況,節(jié)點(diǎn)增加,節(jié)點(diǎn)刪除情況下的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。下面兩行表示在節(jié)點(diǎn)增加和刪除情況下,同一個(gè)key分配在相同節(jié)點(diǎn)上的比例(命中率)。

            后來我修改了幾次增刪結(jié)點(diǎn)的數(shù)量,基本驗(yàn)證了JAVA那位仁兄所說的那樣:
          
            多次測(cè)試后發(fā)現(xiàn),命中率與結(jié)點(diǎn)數(shù)目和增減的節(jié)點(diǎn)數(shù)量有關(guān)。同樣增刪結(jié)點(diǎn)數(shù)目情況下,結(jié)點(diǎn)多時(shí)命中率高。同樣節(jié)點(diǎn)數(shù)目,增刪結(jié)點(diǎn)越少,命中率越高。這些都與實(shí)際情況相符。


           這里還有一些鏈接,都是介紹和討論Consistent Hashing的,有興趣的朋友可以看一下,呵呵:)
          
           總結(jié)一致性哈希(Consistent Hashing) 
          
           Ketama一致性Hash算法學(xué)習(xí)(含Java代碼)      
          
         

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