First, the algorithm background
Consistent hashing algorithm Karger in 1997 by the Massachusetts Institute of Technology and other people in the settlement proposed in the distributed Cache, designed to solve the Internet's hot spot (Hot spot) issues, mind and CARP very similar. Consistent hashing Fixed simple hashing algorithm used by CARP brings so DHT can really be applied in a P2P environment.
Second, the application scenarios
Now consistency hash algorithm in a distributed system has been widely used, distributed systems involved in cluster deployments, including Redis cache cluster, database cluster, when we use Redis, in order to ensure Redis high availability, improve the Redis read and write performance, the easiest way we will call the shots from the copy, or a composition in the form of master-master master-Slave, or cluster structures Redis, separate read and write data, similar to the primary database separate from the replication and write. As follows:
The same database as well, when the single-table data needs to be greater than 500W of sub-library sub-table, when a large amount of data when (standard may be different, depending on Redis server capacity) we can also carry out similar operations on Redis It is sub-library sub-table.
Suppose that we have a social networking site, you need to use resources Redis store pictures, stored in the format as key-value pairs, key is the name of the picture, value for the image server where the file path, we need to find the file server where the file based on the file name path on the amount of data there are about 2000W, the library is divided according to rules we agreed, random allocation rule is that we can deploy eight cache servers, each containing about 500W of data, and the master-slave replication diagram below
由于规则是随机的，所有我们的一条数据都有可能存储在任何一组Redis中，例如上图我们用户查找一张名称为”a.png”的图片，由于规则是随机的，我们不确定具体是在哪一个Redis服务器上的，因此我们需要进行1、2、3、4，4次查询才能够查询到（也就是遍历了所有的Redis服务器），这显然不是我们想要的结果，有了解过的小伙伴可能会想到，随机的规则不行，可以使用类似于数据库中的分库分表规则：按照Hash值、取模、按照类别、按照某一个字段值等等常见的规则就可以出来了！好，按照我们的主题，我们就使用Hash的方式。
三、为Redis集群使用Hash
可想而知，如果我们使用Hash的方式 hash(图片名称) % N ，每一张图片在进行分库的时候都可以定位到特定的服务器，示意图如下：
因为图片的名称是不重复的，所以，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4台服务器，使用哈希后的结果对4求余，那么余数一定是0、1、2或3，没错，正好与我们之前的服务器编号相同。
如果求余的结果为0， 我们就把当前图片名称对应的图片缓存在0号服务器上；如果余数为1，就把当前图片名对应的图片缓存在1号服务器上；如果余数为2，同理。那么，当我们访问任意一个图片的时候，只要再次对图片名称进行上述运算，即可得出对应的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，这样就能满足我们的需求了，我们暂时称上述算法为HASH算法或者取模算法。
上图中，假设我们查找的是”a.png”，由于有4台服务器（排除从库），因此公式为
- hash(a.png) % 4 = 2
，可知定位到了第2号服务器，这样的话就不会遍历所有的服务器，大大提升了性能！
四、使用Hash的问题
上述的方式虽然提升了性能，我们不再需要对整个Redis服务器进行遍历！但是，使用上述HASH算法进行缓存时，会出现一些缺陷，主要体现在服务器数量变动的时候，所有缓存的位置都要发生改变！
试想一下，如果3台缓存服务器已经不能满足我们的缓存需求，那么我们应该怎么做呢？没错，很简单，多增加两台缓存服务器不就行了，假设，我们增加了一台缓存服务器，那么缓存服务器的数量就由4台变成了5台，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4台服务器时所在的服务器编号不同，因为除数由4变为了5，被除数不变的情况下，余数肯定不同，这种情况带来的结果就是当服务器数量变动时，所有缓存的位置都要发生改变，换句话说，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4台缓存中突然有一台缓存服务器出现了故障，无法进行缓存，那么我们则需要将故障机器移除，但是如果移除了一台缓存服务器，那么缓存服务器数量从4台变为3台，如果想要访问一张图片，这张图片的缓存位置必定会发生改变，以前缓存的图片也会失去缓存的作用与意义，由于大量缓存在同一时间失效，造成了缓存的雪崩，此时前端缓存已经无法起到承担部分压力的作用，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，所以，我们应该想办法不让这种情况发生，但是由于上述HASH算法本身的缘故，使用取模法进行缓存时，这种情况是无法避免的。
我们来回顾一下使用上述算法会出现的问题。
问题1：当缓存服务器数量发生变化时，会引起缓存的雪崩，可能会引起整体系统压力过大而崩溃（大量缓存同一时间失效）。
问题2：当缓存服务器数量发生变化时，几乎所有缓存的位置都会发生改变，怎样才能尽量减少受影响的缓存呢？
其实，上面两个问题是一个问题，那么，一致性哈希算法能够解决上述问题吗？解决这些问题，一致性哈希算法诞生了。
五、一致性哈希的基本概念
一致性Hash算法也是使用取模的方法，只是，刚才描述的取模法是对服务器的数量进行取模，而一致性Hash算法是对2^32取模，什么意思呢？简单来说，一致性Hash算法将整个哈希值空间组织成一个虚拟的圆环，如假设某哈希函数H的值空间为0-2^32-1（即哈希值是一个32位无符号整形），整个哈希环如下：
整个空间按顺时针方向组织，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， 0和2^32-1在零点中方向重合，我们把这个由2^32个点组成的圆环称为Hash环。
那么，一致性哈希算法与上图中的圆环有什么关系呢？我们继续聊，仍然以之前描述的场景为例，假设我们有4台缓存服务器，服务器A、服务器B、服务器C，服务器D，那么，在生产环境中，这4台服务器肯定有自己的IP地址或主机名，我们使用它们各自的IP地址或主机名作为关键字进行哈希计算，使用哈希后的结果对2^32取模，可以使用如下公式示意：
- hash（服务器A的IP地址） % 2^32
通过上述公式算出的结果一定是一个0到2^32-1之间的一个整数，我们就用算出的这个整数，代表服务器A，既然这个整数肯定处于0到2^32-1之间，那么，上图中的hash环上必定有一个点与这个整数对应，而我们刚才已经说明，使用这个整数代表服务器A，那么，服务器A就可以映射到这个环上。
以此类推，下一步将各个服务器使用类似的Hash算式进行一个哈希，这样每台机器就能确定其在哈希环上的位置，这里假设将上文中四台服务器使用IP地址哈希后在环空间的位置如下：
接下来使用如下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“行走”，第一台遇到的服务器就是其应该定位到的服务器！
例如我们有Object A、Object B、Object C、Object D四个数据对象，经过哈希计算后，在环空间上的位置如下：
根据一致性Hash算法，数据A会被定为到Node A上，B被定为到Node B上，C被定为到Node C上，D被定为到Node D上。
说到这里可能会有疑问，为什么hash一致性的数据空间范围是2^32次方？
因为，java中int的最大值是2^31-1最小值是-2^31,2^32刚好是无符号整形的最大值；
进一步追尾基础，为什么java中int的最大值是2^31-1最小值是-2^31？
因为，int的最大值最小值范围设定是因为一个int占4个字节，一个字节占8位，二进制中刚好是32位。（基础忘记的需要恶补一下了）
六、一致性Hash算法的容错性和可扩展性
现假设Node C不幸宕机，可以看到此时对象A、B、D不会受到影响，只有C对象被重定位到Node D。一般的，在一致性Hash算法中，如果一台服务器不可用，则受影响的数据仅仅是此服务器到其环空间中前一台服务器（即沿着逆时针方向行走遇到的第一台服务器）之间数据，其它不会受到影响，如下所示：
下面考虑另外一种情况，如果在系统中增加一台服务器Node X，如下图所示：
此时对象Object A、B、D不受影响，只有对象C需要重定位到新的Node X ！一般的，在一致性Hash算法中，如果增加一台服务器，则受影响的数据仅仅是新服务器到其环空间中前一台服务器（即沿着逆时针方向行走遇到的第一台服务器）之间数据，其它数据也不会受到影响。
综上所述，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，具有较好的容错性和可扩展性。
七、Hash环的数据倾斜问题
一致性Hash算法在服务节点太少时，容易因为节点分部不均匀而造成数据倾斜（被缓存的对象大部分集中缓存在某一台服务器上）问题，例如系统中只有两台服务器，其环分布如下：
此时必然造成大量数据集中到Node A上，而只有极少量会定位到Node B上，从而出现hash环偏斜的情况，当hash环偏斜以后，缓存往往会极度不均衡的分布在各服务器上，如果想要均衡的将缓存分布到2台服务器上，最好能让这2台服务器尽量多的、均匀的出现在hash环上，但是，真实的服务器资源只有2台，我们怎样凭空的让它们多起来呢，没错，就是凭空的让服务器节点多起来，既然没有多余的真正的物理服务器节点，我们就只能将现有的物理节点通过虚拟的方法复制出来。
这些由实际节点虚拟复制而来的节点被称为"虚拟节点"，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。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。
例如上面的情况，可以为每台服务器计算三个虚拟节点，于是可以分别计算 “Node A#1”、“Node A#2”、“Node A#3”、“Node B#1”、“Node B#2”、“Node B#3”的哈希值，于是形成六个虚拟节点：
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，例如定位到“Node A#1”、“Node A#2”、“Node A#3”三个虚拟节点的数据均定位到Node A上。这样就解决了服务节点少时数据倾斜的问题。在实际应用中，通常将虚拟节点数设置为32甚至更大，因此即使很少的服务节点也能做到相对均匀的数据分布。
八、总结
上文中，我们一步步分析了什么是一致性Hash算法，主要是考虑到分布式系统每个节点都有可能失效，并且新的节点很可能动态的增加进来的情况，如何保证当系统的节点数目发生变化的时候，我们的系统仍然能够对外提供良好的服务，这是值得考虑的！
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