Dubbo 一致性Hash负载均衡实现剖析

需要强调的是，Dubbo的Hash映射模型与大部分网上资料描述的环形队列Hash映射模型是存在一些区别的。于我而言，环形队列Hash映射模型，不足以让我对一致性Hash有足够彻底的了解。直到看懂了Dubbo的一致性Hash的实现，才觉得豁然开朗。

一、环形队列Hash映射模型

这种方案，其基础还是基于取模运算。对2^32取模，那么，Hash值的区间为[0, 2^32-1]。接下来要做的，就包括两部分：

a、映射服务

将服务地址（ip+端口）按照一定规则构造出特定的识别码（如md5码），再用识别码对2^32取模，确定服务在Hash值区间对应的位置。假设有Node1、Node2、Node3三个服务，其映射关系如下：

b、映射请求、定位服务

在发起请求时，我们往往会带上参数，而这些参数，就可以被我们用来确定具体调用哪一个服务。假设有请求R1、R2、R3，对它们的参数也经过计算特定识别码、取余的一系列运算之后，有如下映射关系：

从图中，我们可以看到，R1请求映射在0-Node1中间，R2请求映射在Node1-Node2中间，R3请求映射在Node2-Node3中间。我们取服务Hash值大于请求Hash值的第一个服务作为实际的调用服务。也就是说，R1请求将调用Node1服务，R2请求将调用Node2服务，R3请求将调用Node3服务。

c、新增服务节点

假设新增服务Node4，映射在Node3之前，恰巧破坏了原来的一个映射关系：

这样，请求R3将会实际调用服务Node4，但请求R1、R2不受影响。

d、删除服务节点

假设服务Node2宕机，那么R2请求将会映射到Node3：

原本的R1、R3请求不受影响。

可以看出，当新增、删除服务时，受影响的请求是有限的。不至于像简单取模映射一般，服务发生变化时，需要调整全局的映射关系。

e、平衡性与虚拟节点

在我们上面的假设中，我们假设Node1、Node2、Node3三个服务在经过Hash映射后所分布的位置恰巧把环切成了均等的三分，请求的分布也基本是平衡的。但是实际上计算服务Hash值的时候，是很难这么巧的。也许一不小心就映射成了这个样子：

这样，就会导致大部分请求都会被映射到Node1上。因此，引出了虚拟节点。

所谓虚拟节点，就是除了对服务本身地址进行Hash映射外，还通过在它地址上做些处理（比如Dubbo中，在ip+port的字符串后加上计数符1、2、3……，分别代表虚拟节点1、2、3），以达到同一服务映射多个节点的目的。通过引入虚拟节点，我们可以把上图中映射给Node1的请求进一步拆分：

如上图所示，若有请求落在Node3-Node1’区间，该请求应该是调用Node1’服务，但是因为Node1’是Node1的虚拟节点，所以实际调用的是Node1服务。通过引入虚拟节点，请求的分布就会比较平衡了。

二、Dubbo一致性Hash的使用与负载均衡策略的引入阶段

a、如何使用一致性Hash作为Dubbo的负载均衡策略？

dubbo:service、dubbo:reference、dubbo:provider、dubbo:consumer、dubbo:method这几个配置项都可以配置Dubbo的负载均衡策略，其中一致性Hash的属性值是：consistenthash。

以dubbo:reference为例：

XML配置：

<dubbo:reference loadbalance=“consistenthash” />

Properties配置：

dubbo.reference.loadbalance=consistenthash

注解：

@Reference(loadbalance = “consistenthash”)

b、Dubbo负载均衡策略的引入阶段

Dubbo实现的是客户端负载均衡。关于服务接口代理类的实现，这里不做详细描述，可以参考官网：

服务引入：/zh-cn/docs/source_code_guide/refer-service.html。

在接口代理类生成、并且装配好后，服务的调用基本是这样一个流程：proxy -> MockClusterInvoker -> 集群策略（如：FailoverClusterInvoker） -> 初始化负载均衡策略 -> 根据选定的负载均衡策略确定Invoker。

负载均衡策略的初始化是在AbstractClusterInvoker中的initLoadBalance方法中初始化的：

protected LoadBalance initLoadBalance(List<Invoker<T>> invokers, Invocation invocation) {
    if (CollectionUtils.isNotEmpty(invokers)) {
        return ExtensionLoader.getExtensionLoader(LoadBalance.class).getExtension(invokers.get(0).getUrl()
                .getMethodParameter(RpcUtils.getMethodName(invocation), LOADBALANCE_KEY, DEFAULT_LOADBALANCE));
    } else {
        return ExtensionLoader.getExtensionLoader(LoadBalance.class).getExtension(DEFAULT_LOADBALANCE);
    }
}

这部分代码逻辑分为两部分：

1、获取调用方法所配置的LOADBALANCE_KEY属性的值，LOADBALANCE_KEY这个常量的实际值为：loadbalance，即为我们的所配置的属性；

2、利用SPI机制来初始化并加载该值所代表的负载均衡策略。

所有的负载均衡策略都会继承LoadBalance接口。在各种集群策略中，最终都会调用AbstractClusterInvoker的select方法，而AbstractClusterInvoker会在doSelect中，调用LoadBalance的select方法，这里即开始了负载均衡策略的执行。

三、Dubbo一致性Hash负载均衡的实现

需要说明的一点是，我所说的负载均衡策略的执行，即是在所有的Provider中选出一个，作为当前Consumer的远程调用对象。在代码中，Provider被封装成了Invoker实体，所以直接说来，负载均衡策略的执行就是在Invoker列表中选出一个Invoker。

所以，对比普通一致性Hash的实现，Dubbo的一致性Hash算法也可以分为两步：

1、映射Provider至Hash值区间中（实际中映射的是Invoker）；

2、映射请求，然后找到大于请求Hash值的第一个Invoker。

a、映射Invoker

Dubbo中所有的负载均衡实现类都继承了AbstractLoadBalance，调用LoadBalance的select方法时，实际上调用的是AbstractLoadBalance的实现：

@Override
public <T> Invoker<T> select(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
    if (CollectionUtils.isEmpty(invokers)) {
        return null;
    }
    if (invokers.size() == 1) {
        return invokers.get(0);
    }
    // doSelect这里进入具体负载均衡算法的执行逻辑
    return doSelect(invokers, url, invocation);
}

可以看到这里调用了doSelect，Dubbo一致性Hash的具体实现类名字是ConsistentHashLoadBalance，让我们来看看它的doSelect方法干了啥：

@Override
protected <T> Invoker<T> doSelect(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
    String methodName = RpcUtils.getMethodName(invocation);
    // key格式：接口名.方法名
    String key = invokers.get(0).getUrl().getServiceKey() + "." + methodName;
    // identityHashCode 用来识别invokers是否发生过变更
    int identityHashCode = System.identityHashCode(invokers);
    ConsistentHashSelector<T> selector = (ConsistentHashSelector<T>) selectors.get(key);
    if (selector == null || selector.identityHashCode != identityHashCode) {
        // 若不存在"接口.方法名"对应的选择器，或是Invoker列表已经发生了变更，则初始化一个选择器
        selectors.put(key, new ConsistentHashSelector<T>(invokers, methodName, identityHashCode));
        selector = (ConsistentHashSelector<T>) selectors.get(key);
    }
    return selector.select(invocation);
}

这里有个很重要的概念：选择器——selector。这是Dubbo一致性Hash实现中，承载着整个映射关系的数据结构。它里面主要有这么几个参数：

/**
 * 存储Hash值与节点映射关系的TreeMap
 */
private final TreeMap<Long, Invoker<T>> virtualInvokers;

/**
 * 节点数目
 */
private final int replicaNumber;

/**
 * 用来识别Invoker列表是否发生变更的Hash码
 */
private final int identityHashCode;

/**
 * 请求中用来作Hash映射的参数的索引
 */
private final int[] argumentIndex;

在新建ConsistentHashSelector对象的时候，就会遍历所有Invoker对象，然后计算出其地址（ip+port）对应的md5码，并按照配置的节点数目replicaNumber的值来初始化服务节点和所有虚拟节点：

ConsistentHashSelector(List<Invoker<T>> invokers, String methodName, int identityHashCode) {
    this.virtualInvokers = new TreeMap<Long, Invoker<T>>();
    this.identityHashCode = identityHashCode;
    URL url = invokers.get(0).getUrl();
    // 获取配置的节点数目
    this.replicaNumber = url.getMethodParameter(methodName, HASH_NODES, 160);
    // 获取配置的用作Hash映射的参数的索引
    String[] index = 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]);
    }
    // 遍历所有Invoker对象
    for (Invoker<T> invoker : invokers) {
        // 获取Provider的ip+port
        String address = invoker.getUrl().getAddress();
        for (int i = 0; i < replicaNumber / 4; i++) {
            byte[] digest = md5(address + i);
            for (int h = 0; h < 4; h++) {
                long m = hash(digest, h);
                virtualInvokers.put(m, invoker);
            }
        }
    }
}

这里值得注意的是：以replicaNumber取默认值160为例，假设当前遍历到的Invoker地址为127.0.0.1:20880，它会依次获得“127.0.0.1:208800”、“127.0.0.1:208801”、……、“127.0.0.1:2088040”的md5摘要，在每次获得摘要之后，还会对该摘要进行四次数位级别的散列。大致可以猜到其目的应该是为了加强散列效果。（希望有人能告诉我相关的理论依据。）

代码中 virtualInvokers.put(m, invoker) 即是存储当前计算出的Hash值与Invoker的映射关系。

这段代码简单说来，就是为每个Invoker都创建replicaNumber个节点，Hash值与Invoker的映射关系即象征着一个节点，这个关系存储在TreeMap中。

b、映射请求

让我们重新回到ConsistentHashLoadBalance的doSelect方法，若没有找到selector则会新建selector，找到selector后便会调用selector的select方法：

public Invoker<T> select(Invocation invocation) {
    // 根据invocation的【参数值】来确定key，默认使用第一个参数来做hash计算
    String key = toKey(invocation.getArguments());
    //  获取【参数值】的md5编码
    byte[] digest = md5(key);
    return selectForKey(hash(digest, 0));
}

// 根据参数索引获取参数，并将所有参数拼接成字符串
private String toKey(Object[] args) {
    StringBuilder buf = new StringBuilder();
    for (int i : argumentIndex) {
        if (i >= 0 && i < args.length) {
            buf.append(args[i]);
        }
    }
    return buf.toString();
}

// 根据参数字符串的md5编码找出Invoker
private Invoker<T> selectForKey(long hash) {
    Map.Entry<Long, Invoker<T>> entry = virtualInvokers.ceilingEntry(hash);
    if (entry == null) {
        entry = virtualInvokers.firstEntry();
    }
    return entry.getValue();
}

argumentIndex是在初始化Selector的时候一起赋值的，代表着需要用哪几个请求参数作Hash映射获取Invoker。比如：有方法methodA(Integer a, Integer b, Integer c)，如果argumentIndex的值为{0,2}，那么即用a和c拼接的字符串来计算Hash值。

我们已经知道virtualInvokers是一个TreeMap，TreeMap的底层实现是红黑树。对于TreeMap的方法ceilingEntry(hash)，它的作用是用来获取大于等于传入值的首个元素。可以看到，这一点与一般的一致性Hash算法的处理逻辑完全是相同的。

但这里的回环逻辑有点不同。对于取模运算来讲，大于最大值后，会自动回环从0开始，而这里的逻辑是：当没有比传入ceilingEntry()方法中的值大的元素的时候，virtualInvokers.ceilingEntry(hash)必然会得到null，于是，就用virtualInvokers.firstEntry()来获取整个TreeMap的第一个元素。

从selectForKey中获取到Invoker后，负载均衡策略也就算是执行完毕了。后续获取远程调用客户端等调用流程不再赘述。

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