哈希冲突和一致性哈希

文章目录

哈希冲突
- 处理哈希冲突
- - 1.开放地址法
  - 2.再散列法
  - 3.链地址法
  - 4 建立一个公共溢出区
一致性哈希
- 普通 hash算法
- - 普通 hash 算法的缺陷
- 一致性哈希算法
- - 一致性 hash 算法的优点
  - hash 环的倾斜与虚拟节点

哈希冲突

哈希函数又称“散列函数”，通过某种算法，可以将任意长度的输入转换为固定长度的输出。
如在Java中，哈希码用整型int表示，这意味着一共只有2的32次方个哈希码，而对象的个数可以理解为无限个，哈希函数可以将无限个对象实例转换成有限个的哈希码。Object::hashCode默认就是通过对象所在的内存地址经过处理计算而得出的。

哈希函数的目的是将任意长度的输入转换为固定长度的输出，这就意味着，不同的输入可能会转换成相同的输出，这就导致了「哈希冲突」，也叫「哈希碰撞」。哈希冲突是客观事实，只能尽量避免，无法彻底解决。

处理哈希冲突

一个设计良好的哈希函数，应该让不同特征的对象具有不同的哈希码，尽可能的避免哈希冲突。
但是哈希冲突是客观事实，只能尽量避免，无法彻底解决。因此，一旦发生了哈希冲突，如何解决就变得非常重要了。

哈希冲突常见的解决方式有如下四种方法：

1.开放地址法

开放地址法，有三种形式，分别是线性探测，二次探测和随机探测法

线性探测
如下图，假设哈希码为0-5，哈希表中已经插入8、9元素，此时再插入14，下标2已经被8给占用了，出现哈希冲突。
线性探测会环形寻找next节点，先找到下标3，被9占用了，依然冲突，再找到下标4，没有被占用，即没有发生冲突，则将14放入下标4的节点中。

二次探测
也称二元探测，如果默认的哈希函数计算出的哈希码发生了哈希冲突，则哈希函数升级为：

(hash(key) + d) % table.length;
d = 1^2, -1^2, 2^2, -2^2, 3^2......（1,-1,2,-2,4,-4,9...）
其中，table.length为哈希表的表长；d 是产生冲突的时候的增量序列。

随机探测
和二次探测类似，只是d会更换为一组伪随机数列。

(hash(key) + d) % table.length;
d = 一组伪随机数列

开放定址法的优点就是：只要哈希表还有位置，通过不断的探测，总能找到合适的位置。
缺点是探测的次数不可控，一旦探测次数骤增，会严重影响哈希表的读写性能。

ThreadLocalMap就是用的「线性探测」技术解决哈希冲突的，当线程的ThreadLocal实例数量较多时，ThreadLocal的读效率会下降，因此Netty、Dubbo才会编写自己的ThreadLocal实现。

2.再散列法

也可以称作再哈希法，提供一组哈希函数，而不是一个。
如果第一个哈希函数计算的哈希码发生冲突了，就采用第二个哈希函数重新计算哈希码，直到不冲突为止。、
查询时也是一样，依次调用不同的哈希函数计算哈希码，直到Key相等。
这种方式会增加哈希计算的开销，影响读写的效率。

int hash = hash1(key)、hash2(key)、hash3(key)......

3.链地址法

也称作拉链法，将哈希码对应一个链表，插入元素时，如果哈希码冲突了，就将元素插入到链表，可选头插或尾插。
查询时，遍历哈希码对应的链表。
HashMap采用的就是这种方式。

这种方式的缺点是：一旦哈希冲突多了，哈希表会退化成链表，查询效率会从O(1)变为O(n)。JDK8的HashMap针对这种情况有做优化，冲突超过8个会将链表转换为红黑树，提高查询效率。

4 建立一个公共溢出区

在创建哈希表的同时，再额外创建一个公共溢出区，专门用来存放发生哈希冲突的元素。查找时，先从哈希表查，查不到再去公共溢出区查。
这种方式的缺点是：哈希冲突多了，公共溢出区会膨胀的非常厉害，查询的效率也有影响。

一致性哈希

普通 hash算法

对于一个经典的分布式缓存的应用场景。假设我们有三台缓存服务器，用于缓存图片，我们为这三台缓存服务器编号为 0号、1号、2号。我们希望将3万张图片被均匀的缓存到这3台服务器上，以便它们能够分摊缓存的压力。
常见的做法是对缓存项的键进行哈希，将hash后的结果对缓存服务器的数量进行取模操作，通过取模后的结果，决定缓存项将会缓存在哪一台服务器上。

hash（图片名称）% N

当我们对同一个图片名称做相同的哈希计算时，得出的结果应该是不变的，如果我们有3台服务器，使用哈希后的结果对3求余，那么余数一定是0、1或者2；如果求余的结果为0，就把当前图片缓存在0号服务器上，如果余数为1，就缓存在1号服务器上。
以此类推；同理，当我们访问任意图片时，只要再次对图片名称进行上述运算，即可得出图片应该存放在哪一台缓存服务器上，我们只要在这一台服务器上查找图片即可，如果图片在对应的服务器上不存在，则证明对应的图片没有被缓存，也不用再去遍历其他缓存服务器了，通过这样的方法，即可将3万张图片随机的分布到3台缓存服务器上了，而且下次访问某张图片时，直接能够判断出该图片应该存在于哪台缓存服务器上，我们暂时称上述算法为普通 HASH 算法或者取模算法。

普通 hash 算法的缺陷

上述HASH算法时，会出现一些缺陷：如果服务器已经不能满足缓存需求，就需要增加服务器数量，假设我们增加了一台缓存服务器，此时如果仍然使用上述方法对同一张图片进行缓存，那么这张图片所在的服务器编号必定与原来3台服务器时所在的服务器编号不同，因为除数由3变为了4，最终导致所有缓存的位置都要发生改变，也就是说，当服务器数量发生改变时，所有缓存在一定时间内是失效的，当应用无法从缓存中获取数据时，则会向后端服务器请求数据；同理，假设突然有一台缓存服务器出现了故障，那么我们则需要将故障机器移除，那么缓存服务器数量从3台变为2台，同样会导致大量缓存在同一时间失效，造成了缓存的雪崩**，后端服务器将会承受巨大的压力，整个系统很有可能被压垮**。为了解决这种情况，就有了一致性哈希算法。

一致性哈希算法

一致性哈希算法也是使用取模的方法，但是普通取模算法是对服务器的数量进行取模，而一致性哈希算法是对 2^32 取模，具体步骤如下：

步骤一：一致性哈希算法将整个哈希值空间（ 2^32 ）按照顺时针方向组织成一个虚拟的圆环，称为 Hash 环；
步骤二：接着将各个服务器使用 Hash 函数对 2^32 取模进行哈希，具体可以选择服务器的IP或主机名作为关键字进行哈希，从而确定每台机器在哈希环上的位置
步骤三：最后使用算法定位数据访问到相应服务器：将数据key使用相同的函数Hash计算出哈希值，并确定此数据在环上的位置，从此位置沿环顺时针寻找，第一台遇到的服务器就是其应该定位到的服务器

下面我们使用具体案例说明一下一致性哈希算法的具体流程：

（1）步骤一：哈希环的组织：

我们将 2^32 想象成一个圆，像钟表一样，钟表的圆可以理解成由60个点组成的圆，而此处我们把这个圆想象成由2^32个点组成的圆，示意图如下：

圆环的正上方的点代表0，0点右侧的第一个点代表1，以此类推，2、3、4、5、6……直到2^32-1 ,也就是说0点左侧的第一个点代表2^32-1，我们把这个由 2^32 个点组成的圆环称为hash环。

（2）步骤二：确定服务器在哈希环的位置：

哈希算法：hash（服务器的IP） % 2^32

上述公式的计算结果一定是 0 到 2^32-1 之间的整数，那么上图中的 hash 环上必定有一个点与这个整数对应，所以我们可以使用这个整数代表服务器，也就是服务器就可以映射到这个环上，假设我们有 ABC 三台服务器，那么它们在哈希环上的示意图如下：

（3）步骤三：将数据映射到哈希环上：

我们还是使用图片的名称作为 key，所以我们使用下面算法将图片映射在哈希环上：hash（图片名称） % 2^32，假设我们有4张图片，映射后的示意图如下，其中橘黄色的点表示图片：

那么，怎么算出上图中的图片应该被缓存到哪一台服务上面呢？我们只要从图片的位置开始，沿顺时针方向遇到的第一个服务器就是图片存放的服务器了。最终，1号、2号图片将会被缓存到服务器A上，3号图片将会被缓存到服务器B上，4号图片将会被缓存到服务器C上。

一致性 hash 算法的优点

前面提到，如果简单对服务器数量进行取模，那么当服务器数量发生变化时，会产生缓存的雪崩，从而很有可能导致系统崩溃，而使用一致性哈希算法就可以很好的解决这个问题，因为一致性Hash算法对于节点的增减都只需重定位环空间中的一小部分数据，只有部分缓存会失效，不至于将所有压力都在同一时间集中到后端服务器上，具有较好的容错性和可扩展性。

假设服务器B出现了故障，需要将服务器B移除，那么移除前后的示意图如下图所示：

在服务器B未移除时，图片3应该被缓存到服务器B中，可是当服务器B移除以后，按照之前描述的一致性哈希算法的规则，图片3应该被缓存到服务器C中，因为从图片3的位置出发，沿顺时针方向遇到的第一个缓存服务器节点就是服务器C，也就是说，如果服务器B出现故障被移除时，图片3的缓存位置会发生改变，但是，图片4仍然会被缓存到服务器C中，图片1与图片2仍然会被缓存到服务器A中，这与服务器B移除之前并没有任何区别，这就是一致性哈希算法的优点。

hash 环的倾斜与虚拟节点

一致性哈希算法在服务节点太少的情况下，容易因为节点分部不均匀而造成数据倾斜问题，也就是被缓存的对象大部分集中缓存在某一台服务器上，从而出现数据分布不均匀的情况，这种情况就称为 hash 环的倾斜。如下图所示：

hash 环的倾斜在极端情况下，仍然有可能引起系统的崩溃，为了解决这种数据倾斜问题，一致性哈希算法引入了虚拟节点机制，即对每一个服务节点计算多个哈希，每个计算结果位置都放置一个此服务节点，称为虚拟节点，一个实际物理节点可以对应多个虚拟节点，虚拟节点越多，hash环上的节点就越多，缓存被均匀分布的概率就越大，hash环倾斜所带来的影响就越小，同时数据定位算法不变，只是多了一步虚拟节点到实际节点的映射。具体做法可以在服务器ip或主机名的后面增加编号来实现，加入虚拟节点以后的hash环如下：

参考文章：
哈希冲突的常见解决方式
一致性哈希算法原理详解