面试题：缓存设计之Memcached集群配置基础

Question

在Memcached集群配置中，如何使用一致性哈希算法来分配数据？请简述其原理和实现步骤。

Answer 1

一致性哈希算法原理

1. 哈希空间：一致性哈希算法将整个哈希值空间组织成一个虚拟的圆环，这个圆环被称为哈希环。哈希值的范围通常是0到2^32 - 1。
2. 节点映射：将集群中的每个Memcached节点通过哈希函数映射到这个哈希环上。例如，对节点的IP地址或名称进行哈希计算，得到对应的哈希值，从而确定该节点在哈希环上的位置。
3. 数据映射：对于要存储的数据，同样使用相同的哈希函数计算其哈希值，确定在哈希环上的位置。然后从数据的哈希值位置开始，沿着顺时针方向在哈希环上查找，遇到的第一个节点就是该数据应该存储的节点。

实现步骤

1. 初始化哈希环：
   • 创建一个空的哈希环数据结构，用于存储节点和数据的哈希值位置。
   • 可以使用一个有序的数据结构，如平衡二叉树（例如Java中的TreeMap）来实现，以方便在环上查找节点。
2. 添加节点：
   • 对每个Memcached节点，计算其哈希值（如通过对节点的唯一标识进行哈希计算）。
   • 将节点的哈希值及其对应的节点信息插入到哈希环数据结构中。
3. 分配数据：
   • 对于要存储的数据，计算其哈希值。
   • 在哈希环上从该数据的哈希值位置开始顺时针查找，找到第一个节点，将数据存储到该节点上。
4. 节点移除或添加：
   • 移除节点：当一个节点从集群中移除时，该节点上的数据需要重新分配。重新计算这些数据的哈希值，在新的哈希环上找到对应的存储节点，将数据迁移过去。
   • 添加节点：新节点加入集群时，同样计算其哈希值并插入哈希环。部分数据（从新节点位置开始顺时针到原节点位置之间的数据）会重新分配到新节点上。为了减少数据迁移量，可以采用虚拟节点技术。虚拟节点是将一个物理节点映射为多个虚拟节点，分布在哈希环上，这样当节点数量变化时，数据迁移量会相对均匀且减少。