php hash算法实现memcached分布式

一、概述
Memcached和mysql一样，是一款客户端/服务器端（C/S）系统管理软件，有IP、端口，一旦启动，服务器就一直处于可用状态。
Mysql是通过SQL语句管理“磁盘中”的文件，Memcached是通过客户端发送的命令管理“内存中缓存”的数据。 
需要缓存的对象或数据以 key/value 对的形式保存在服务器端，key的值通过hash（hash算法的意义在于提供一种快速存取数据的方法，它用一种算法建立键值与真实值之间的对应关系）进行转换，把value传递到对应的具体的某台服务器上。

Memcached的分布式不是在服务器端实现的，而是在客户端应用中实现的，即通过内置算法制定目标数据的节点。
多台服务器之间是没有任何通信联系的，每台服务器只是对自己的数据进行管理。

* 布置多台Memcached服务器。怎么确定一个数据应该保存到哪台服务器上?
* 方案一：普通Hash分布。
* 方案二：一致性Hash分布。
理论参考：https://blog.csdn.net/u011489043/article/details/78944985

二、简单hash算法

function simpleHash(string $key)
{
    $md5 = md5($key);
    $hash = 0;
    for ($i = 0; $i < strlen($md5); $i++) {
        $hash += ord($md5{$i});
    }
    return $hash;
}

三、普通hash分布

/**
 * 普通Hash分布
 * 取模算法算法的原理是：hash（key）%N
 */
$servers = ['192.168.1.12', '192.168.1.20'];
echo PHP_EOL . '普通hash算法' . PHP_EOL;
echo 'save key1 in server:' . $servers[simpleHash('this is key1') % 2] . PHP_EOL;
echo 'save key2 in server:' . $servers[simpleHash('this is key2') % 2] . PHP_EOL;

四、一致性哈希

* 一致哈希(Consistent Hashing)算法,分布式系统负载均衡的首选算法
*
* 步骤：
* 1、通常，一个缓存数据的key经过hash后会得到一个32位的值，
*    将一个32位整数(0~2^32-1)想象成一个环
* 2、通过hash函数把可以处理成整数，在环中找到一个位置与之对应
* 3、使用hash函数处理服务器使用的IP地址，把Memcached服务器群也映射到环上
* 4、把数据映射到服务器上
*    沿着圆环顺时针方向的key出发，直到遇到一个服务器为止，把key对应的数据保存到这个服务器上
* 5、移除服务器
*    受影响的仅是当前服务器节点沿着逆时针出发直到遇到下一个服务器之间的数据，
*    把这些数据按操作4重新映射即可
* 6、添加服务器
*    受影响的是当前服务器节点沿着逆时针出发直到遇到下一个服务器之间的数据，
*    重新映射

PHP的一种实现

class FlexiHash
{
    // 保存服务器列表
    private $serverList = [];
    // 记录服务器列表是否已经排过序
    private $isSorted = false;

    /**
     * 添加一个服务器到服务器列表中
     */
    public function addServer($server)
    {
        $hash = simpleHash($server);
        if (!isset($this->serverList[$hash])) {
            $this->serverList[$hash] = $server;
        }
        $this->isSorted = false;
        return true;
    }

    /**
     * 从服务器列表中删除一个服务器
     */
    public function removeServer($server)
    {
        $hash = simpleHash($server);
        if (isset($this->serverList[$hash])) {
            unset($this->serverList[$hash]);
        }
        $this->isSorted = false;
        return true;
    }

    /**
     * 在当前的服务器列表中找到合适的服务器存放数据
     * 逆时针的圆环
     */
    public function lookup($key)
    {
        $hash = simpleHash($key);
        if (!$this->isSorted) {
            krsort($this->serverList, SORT_NUMERIC);
            $this->isSorted = true;
        }
        foreach ($this->serverList as $pos => $server) {
            if ($hash >= $pos) {
                return $server;
            }
        }
        $index = array_search(min($this->serverList), $this->serverList);
        return $this->serverList[$index];
    }
}

// 测试
echo PHP_EOL . '一致性hash算法' . PHP_EOL;
$hserver = new FlexiHash();
$hserver->addServer('192.168.1.1');
$hserver->addServer('192.168.1.2');
$hserver->addServer('192.168.1.3');
$hserver->addServer('192.168.1.4');
$hserver->addServer('192.168.1.5');
echo '初始分布' . PHP_EOL;
echo 'save key1 in server:' . $hserver->lookup('key1') . PHP_EOL;
echo 'save key2 in server:' . $hserver->lookup('key2') . PHP_EOL;
echo '===============================================' . PHP_EOL;
$hserver->removeServer('192.168.1.4');
echo '删除一台服务器后' . PHP_EOL;
echo 'save key1 in server:' . $hserver->lookup('key1') . PHP_EOL;
echo 'save key2 in server:' . $hserver->lookup('key2') . PHP_EOL;
echo '===============================================' . PHP_EOL;
$hserver->addServer('192.168.1.6');
echo '添加一台服务器后' . PHP_EOL;
echo 'save key1 in server:' . $hserver->lookup('key1') . PHP_EOL;
echo 'save key2 in server:' . $hserver->lookup('key2') . PHP_EOL;

另一种实现 增加虚拟节点

class ConsistentHashing
{
    // 每个节点对应虚拟节点数
    const VIRTUAL_NODES = 32;
    // server 拥有的hash（节点+虚拟节点）
    protected $nodes = [];
    // hash映射server
    protected $position = [];
    // 记录服务器列表是否已经排过序
    protected $isSorted = false;

    /**
     * 添加节点
     */
    public function addNode($server)
    {
        if (isset($this->nodes[$server])) {
            return;
        }

        // 添加节点和虚拟节点
        for ($i = 0; $i < self::VIRTUAL_NODES; $i++) {
            $hash = $this->myHash($server . '#' . $i);
            $this->position[$hash] = $server;
            $this->nodes[$server][] = $hash;
        }

        $this->isSorted = false;
    }

    /**
     * 删除节点
     */
    public function delNode($server)
    {
        if (!isset($this->nodes[$server])) return;

        // 循环删除虚拟节点
        foreach ($this->nodes[$server] as $val) {
            unset($this->position[$val]);
        }

        // 删除节点
        unset($this->nodes[$server]);

        $this->isSorted = false;
    }

    /**
     * 定位key所属节点
     * 顺时针环
     */
    public function lookup($key)
    {
        if (!$this->isSorted) {
            $this->sortPosition();
            $this->isSorted = true;
        }

        $hash = $this->myHash($key);

        // 先取圆环上最小的一个节点,当成结果
        $server = current($this->position);

        // 循环获取相近的节点
        foreach ($this->position as $pos => $val) {
            if ($hash <= $pos) {
                $server = $val;
                break;
            }
        }

        return $server;
    }

    /**
     * 按键名顺序排序
     */
    private function sortPosition()
    {
        ksort($this->position);
    }

    /**
     * 自定义哈希函数，把key转为32位符号整数
     */
    private function myHash($key)
    {

//        return sprintf('%u', crc32($key));
        return simpleHash($key);
    }
}

// 测试
echo PHP_EOL . '另一种hash一致性算法' . PHP_EOL;
$ch = new ConsistentHashing();
$ch->addNode('192.168.1.1');
$ch->addNode('192.168.1.2');
$ch->addNode('192.168.1.3');
$ch->addNode('192.168.1.4');
$ch->addNode('192.168.1.5');
echo '初始化' . PHP_EOL;
echo 'save key1 in server:' . $ch->lookup('key1') . PHP_EOL;
echo 'save key2 in server:' . $ch->lookup('key2') . PHP_EOL;
echo '==========================================' . PHP_EOL;
$ch->delNode('192.168.1.4');
echo '删除节点后' . PHP_EOL;
echo 'save key1 in server:' . $ch->lookup('key1') . PHP_EOL;
echo 'save key2 in server:' . $ch->lookup('key2') . PHP_EOL;
echo '==========================================' . PHP_EOL;
$ch->addNode('192.168.1.6');
echo '添加一台服务器后' . PHP_EOL;
echo 'save key1 in server:' . $ch->lookup('key1') . PHP_EOL;
echo 'save key2 in server:' . $ch->lookup('key2') . PHP_EOL;