memcached分布测试报告（一致性哈希情况下的散列函数选择）转自 庄周梦蝶

一、背景资料

    memcached本身是集中式的缓存系统，要搞多节点分布，只能通过客户端实现。memcached的分布算法一般有两种选择：
1、根据hash(key)的结果，模连接数的余数决定存储到哪个节点，也就是hash(key)% sessions.size()，这个算法简单快速，表现良好。然而这个算法有个缺点，就是在memcached节点增加或者删除的时候，原有的缓存数据将大规模失效，命中率大受影响，如果节点数多，缓存数据多，重建缓存的代价太高，因此有了第二个算法。
2、Consistent Hashing，一致性哈希算法，他的查找节点过程如下：
    首先求出memcached服务器（节点）的哈希值，并将其配置到0～232的圆（continuum）上。然后用同样的方法求出存储数据的键的哈希值，并映射到圆上。然后从数据映射到的位置开始顺时针查找，将数据保存到找到的第一个服务器上。如果超过232仍然找不到服务器，就会保存到第一台memcached服务器上。



    一致性哈希算法来源于P2P网络的路由算法，更多的信息可以读这里。

二、测试报告

   spymemcached和xmemcached都实现了一致性哈希算法（其实我是照抄的），这里要测试下在使用一致性哈希的情况下，增加节点，看不同散列函数下命中率和数据分布的变化情况，这个测试结果对于spymemcached和xmemcached是一样的，测试场景：
    从一篇英文小说（《黄金罗盘》前三章）进行单词统计，并将最后的统计结果存储到memcached，以单词为key，以次数为value。单词个数为 3061，memcached原来节点数为10，运行在局域网内同一台服务器上的不同端口，在存储统计结果后，增加两个memcached节点（也就是从10个节点增加到12个节点），统计此时的缓存命中率并查看数据的分布情况。
    结果如下表格，命中率一行表示增加节点后的命中率情况（增加前为100%），后续的行表示各个节点存储的单词数,CRC32_HASH表示采用CRC32 散列函数，KETAMA_HASH是基于md5的散列函数也是默认情况下一致性哈希的推荐算法，FNV1_32_HASH就是FNV 32位散列函数，NATIVE_HASH就是java.lang.String.hashCode()方法返回的long取32位的结果，MYSQL_HASH是xmemcached添加的传说来自于mysql源码中的哈希函数。
CRC32_HASH KETAMA_HASH FNV1_32_HASH NATIVE_HASH MYSQL_HASH
命中率
78.5% 83.3% 78.2% 99.89% 86.9%
节点1 319 366 546 3596 271
节点2 399 350 191 1 233
节点3 413 362 491 0 665
节点4 393 364 214 1 42
节点5 464 403 427 1 421
节点6 472 306 299 0 285
节点7 283 347 123 0 635
节点8 382 387 257 2 408
节点9 238 341 297 0 55
节点10 239 375 756 0 586
范围 200~500   300~400
150~750 0~3600 50~650



结果分析：

1、命中率最高看起来是NATIVE_HASH，然而NATIVE_HASH情况下数据集中存储在第一个节点，显然没有实际使用价值。为什么会集中存储在第一个节点呢？这是由于在查找存储的节点的过程中，会比较hash(key)和hash(节点IP地址)，而在采用了NATIVE_HASH的情况下，所有连接的hash值会呈现一个递增状况（因为String.hashCode是乘法散列函数），如：
192.168.0.100:12000 736402923
192.168.0.100:12001 736402924
192.168.0.100:12002 736402925
192.168.0.100:12003 736402926
如果这些值很大的会，那么单词的hashCode()会通常小于这些值的第一个，那么查找就经常只找到第一个节点并存储数据，当然，这里有测试的局限性，因为memcached都跑在一个台机器上只是端口不同造成了hash(节点IP地址)的连续递增，将分布不均匀的问题放大了。

2、从结果上看，KETAMA_HASH维持了一个最佳平衡，在增加两个节点后还能访问到83.3%的单词，并且数据分布在各个节点上的数目也相对平均，难怪作为默认散列算法。

3、最后，单纯比较下散列函数的计算效率：

CRC32_HASH:3266
KETAMA_HASH:7500
FNV1_32_HASH:375
NATIVE_HASH:187
MYSQL_HASH:500

   NATIVE_HASH > FNV1_32_HASH > MYSQL_HASH > CRC32_HASH > KETAMA_HASH