Dubbo负载均衡：一致性Hash的实现分析

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作者：FserSuN

来源：https://blog.csdn.net/Revivedsun/article/details/71022871

LoadBalance负责从多个Invoker中选出具体的一个用于本次调用，以分摊压力。Dubbo中LoadBalance结构如下图。

http://static.cyblogs.com/20170430135402902.jpeg

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com.alibaba.dubbo.rpc.cluster.LoadBalance 
接口提供了
<T> Invoker<T> select(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) throws RpcException; 
通过该方法，进行结点选择。
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com.alibaba.dubbo.rpc.cluster.loadbalance.AbstractLoadBalance 
实现了一些公共方法，并定义抽象方法
protected abstract <T> Invoker<T> doSelect(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation); 
该方法由具体的负载均衡实现类去实现。

一致性哈希负载均衡配置

具体的负载均衡实现类包括4种。分别是随机、轮训、最少活跃、一致性Hash
一致性哈希负载均衡配置

配置如：

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<dubbo:service interface="..." loadbalance="consistenthash" />
或：

<dubbo:reference interface="..." loadbalance="consistenthash" />
或：

<dubbo:service interface="...">
    <dubbo:method name="..." loadbalance="consistenthash"/>
</dubbo:service>
或：

<dubbo:reference interface="...">
    <dubbo:method name="..." loadbalance="consistenthash"/>
</dubbo:reference

一致性Hash负载均衡涉及到两个主要的配置参数为hash.arguments 与hash.nodes。

hash.arguments ： 当进行调用时候根据调用方法的哪几个参数生成key，并根据key来通过一致性hash算法来选择调用结点。例如调用方法invoke(String s1,String s2); 若hash.arguments为1(默认值)，则仅取invoke的参数1（s1）来生成hashCode。

hash.nodes： 为结点的副本数。

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缺省只对第一个参数Hash，如果要修改，请配置
<dubbo:parameter key="hash.arguments" value="0,1" />

缺省用160份虚拟节点，如果要修改，请配置
<dubbo:parameter key="hash.nodes" value="320" />

Dubbo中一致性Hash的实现分析

dubbo的一致性哈希通过ConsistentHashLoadBalance类来实现。

ConsistentHashLoadBalance内部定义ConsistentHashSelector类，最终通过该类进行结点选择。ConsistentHashLoadBalance实现的doSelect方法来利用所创建的ConsistentHashSelector对象选择结点。

doSelect的实现如下。当调用该方法时，如果选择器不存在则去创建。随后通过ConsistentHashSelector的select方法选择结点。

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@SuppressWarnings("unchecked")
@Override
protected <T> Invoker<T> doSelect(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
    // 获取调用方法名
    String key = invokers.get(0).getUrl().getServiceKey() + "." + invocation.getMethodName();
    // 生成调用列表hashCode
    int identityHashCode = System.identityHashCode(invokers);
    // 以调用方法名为key,获取一致性hash选择器
    ConsistentHashSelector<T> selector = (ConsistentHashSelector<T>) selectors.get(key);
    // 若不存在则创建新的选择器
    if (selector == null || selector.getIdentityHashCode() != identityHashCode) {
        // 创建ConsistentHashSelector时会生成所有虚拟结点
        selectors.put(key, new ConsistentHashSelector<T>(invokers, invocation.getMethodName(), identityHashCode));
        // 获取选择器
        selector = (ConsistentHashSelector<T>) selectors.get(key);
    }
    // 选择结点
    return selector.select(invocation);
}

ConsistentHashSelector在构造函数内部会创建replicaNumber个虚拟结点，并将这些虚拟结点存储于TreeMap。随后根据调用方法的参数来生成key，并在TreeMap中选择一个结点进行调用。

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private static final class ConsistentHashSelector<T> {
    private final TreeMap<Long, Invoker<T>> virtualInvokers; // 虚拟结点

    private final int                       replicaNumber;   // 副本数 

    private final int                       identityHashCode;// hashCode

    private final int[]                     argumentIndex;   // 参数索引数组

    public ConsistentHashSelector(List<Invoker<T>> invokers, String methodName, int identityHashCode) {
        // 创建TreeMap 来保存结点
        this.virtualInvokers = new TreeMap<Long, Invoker<T>>();
        // 生成调用结点HashCode
        this.identityHashCode = System.identityHashCode(invokers);
        // 获取Url 
        // dubbo://169.254.90.37:20880/service.DemoService?anyhost=true&application=srcAnalysisClient&check=false&dubbo=2.8.4&generic=false&interface=service.DemoService&loadbalance=consistenthash&methods=sayHello,retMap&pid=14648&sayHello.timeout=20000&side=consumer&timestamp=1493522325563
        URL url = invokers.get(0).getUrl();
        // 获取所配置的结点数，如没有设置则使用默认值160
        this.replicaNumber = url.getMethodParameter(methodName, "hash.nodes", 160);
        // 获取需要进行hash的参数数组索引，默认对第一个参数进行hash
        String[] index = Constants.COMMA_SPLIT_PATTERN.split(url.getMethodParameter(methodName, "hash.arguments", "0"));
        argumentIndex = new int[index.length];
        for (int i = 0; i < index.length; i ++) {
            argumentIndex[i] = Integer.parseInt(index[i]);
        }
        // 创建虚拟结点
        // 对每个invoker生成replicaNumber个虚拟结点，并存放于TreeMap中
        for (Invoker<T> invoker : invokers) {

            for (int i = 0; i < replicaNumber / 4; i++) {
                // 根据md5算法为每4个结点生成一个消息摘要，摘要长为16字节128位。
                byte[] digest = md5(invoker.getUrl().toFullString() + i);
                // 随后将128位分为4部分，0-31,32-63,64-95,95-128，并生成4个32位数，存于long中，long的高32位都为0
                // 并作为虚拟结点的key。
                for (int h = 0; h < 4; h++) {
                    long m = hash(digest, h);
                    virtualInvokers.put(m, invoker);
                }
            }
        }
    }

    public int getIdentityHashCode() {
        return identityHashCode;
    }

    // 选择结点
    public Invoker<T> select(Invocation invocation) {
        // 根据调用参数来生成Key
        String key = toKey(invocation.getArguments());
        // 根据这个参数生成消息摘要
        byte[] digest = md5(key);
        //调用hash(digest, 0)，将消息摘要转换为hashCode，这里仅取0-31位来生成HashCode
        //调用sekectForKey方法选择结点。
        Invoker<T> invoker = sekectForKey(hash(digest, 0));
        return invoker;
    }

    private String toKey(Object[] args) {
        StringBuilder buf = new StringBuilder();
        // 由于hash.arguments没有进行配置，因为只取方法的第1个参数作为key
        for (int i : argumentIndex) {
            if (i >= 0 && i < args.length) {
                buf.append(args[i]);
            }
        }
        return buf.toString();
    }

    //根据hashCode选择结点
    private Invoker<T> sekectForKey(long hash) {
        Invoker<T> invoker;
        Long key = hash;
        // 若HashCode直接与某个虚拟结点的key一样，则直接返回该结点
        if (!virtualInvokers.containsKey(key)) {
            // 若不一致，找到一个最小上届的key所对应的结点。
            SortedMap<Long, Invoker<T>> tailMap = virtualInvokers.tailMap(key);
            // 若存在则返回，例如hashCode落在图中[1]的位置
            // 若不存在，例如hashCode落在[2]的位置，那么选择treeMap中第一个结点
            // 使用TreeMap的firstKey方法，来选择最小上界。
            if (tailMap.isEmpty()) {
                key = virtualInvokers.firstKey();
            } else {

                key = tailMap.firstKey();
            }
        }
        invoker = virtualInvokers.get(key);
        return invoker;
    }

    private long hash(byte[] digest, int number) {
        return (((long) (digest[3 + number * 4] & 0xFF) << 24)
                | ((long) (digest[2 + number * 4] & 0xFF) << 16)
                | ((long) (digest[1 + number * 4] & 0xFF) << 8) 
                | (digest[0 + number * 4] & 0xFF)) 
                & 0xFFFFFFFFL;
    }

    private byte[] md5(String value) {
        MessageDigest md5;
        try {
            md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            throw new IllegalStateException(e.getMessage(), e);
        }
        md5.reset();
        byte[] bytes = null;
        try {
            bytes = value.getBytes("UTF-8");
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            throw new IllegalStateException(e.getMessage(), e);
        }
        md5.update(bytes);
        return md5.digest();
    }
}

上述代码中 hash(byte[] digest, int number)方法用来生成hashCode。该函数将生成的结果转换为long类，这是因为生成的结果是一个32位数，若用int保存可能会产生负数。而一致性hash生成的逻辑环其hashCode的范围是在 0 - MAX_VALUE之间。因此为正整数，所以这里要强制转换为long类型，避免出现负数。

进行结点选择的方法为select,最后通过sekectForKey方法来选择结点。

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// 选择结点
public Invoker<T> select(Invocation invocation) {
    // 根据调用参数来生成Key
    String key = toKey(invocation.getArguments());
    // 根据这个参数生成消息摘要
    byte[] digest = md5(key);
    //调用hash(digest, 0)，将消息摘要转换为hashCode，这里仅取0-31位来生成HashCode
    //调用sekectForKey方法选择结点。
    Invoker<T> invoker = sekectForKey(hash(digest, 0));
    return invoker;
}

sekectForKey方法的实现如下。 

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private Invoker<T> sekectForKey(long hash) {
     Invoker<T> invoker;
     Long key = hash;
     // 若HashCode直接与某个虚拟结点的key一样，则直接返回该结点
     if (!virtualInvokers.containsKey(key)) {
         // 若不在，找到一个最小上届的key所对应的结点。
         SortedMap<Long, Invoker<T>> tailMap = virtualInvokers.tailMap(key);
         // 若存在则返回，例如hashCode落在图中[1]的位置
         // 若不存在，例如hashCode落在[2]的位置，那么选择treeMap中第一个结点
         // 使用TreeMap的firstKey方法，来选择最小上界。
         if (tailMap.isEmpty()) {
             key = virtualInvokers.firstKey();
         } else {
						 key = tailMap.firstKey();
				 }
     }
    invoker = virtualInvokers.get(key);
    return invoker;
}

在进行选择时候若HashCode直接与某个虚拟结点的key一样，则直接返回该结点，例如hashCode落在某个结点上(圆圈所表示)。若不在，找到一个最小上届的key所对应的结点。例如进行选择时的key落在图中1所标注的位置。由于利用TreeMap存储，key所落在的位置可能无法找到最小上界，例如图中2所标注的位置。那么需要返回TreeMap中的最小值（构成逻辑环状结构，找不到，则返回最开头的结点）。

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