Memcached Hash算法

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作者：吕宗胜

Hash算法

1. Memcached Hash介绍

我们在前面的文章中已经介绍过了Memcached的内存管理方式，LRU的策略。由于Memcached的数据存储方式基本上是基于双向链表来实现的，而链表实现的最大好处在于可以快速的进行增删改，但其最大的不足在于其数据的获取只能通过遍历链表的方式来进行。而Memcached使用了Hash算法来进行数据的快速读取。

2. Hash算法

Memcached的Hash算法原理上非常简单。我们用下面的图来说明。

这个数据结构跟我们熟知的HashMap是一致的，数据hash到不同的桶中，当Hash发生冲突的时候，采用了链表来记录相同Hash值的数据。使用Hash算法最重要的一点是如何解决Hash冲突，Memcached采用的链表来解决Hash冲突是较为基本的方式。这种方式的缺陷是当数据量增多，Hash冲突增多时，会发生链表过长的情况。Memcached在这种情况下，会采用扩大桶数量的方式来优化。Memcached的Hash算法本身并不复杂，这里也不再花大篇幅来介绍其Hash算法。

3. 源代码分析

首先我们来看看Memcached的Hash算法：

unsigned int hashpower = HASHPOWER_DEFAULT;/* 这里的hash算法采用的还是按位与的方式来定位Bucket，1<<(n)表示hash桶的数量 */#define hashsize(n) ((ub4)1<<(n))/* 这里是Hash的掩码，数据的hash值与掩码取与操作可以定位到唯一的Hash桶 */#define hashmask(n) (hashsize(n)-1)

下面我们来看看Memcached的增删查找操作：

/* hash列表中Item元素的查找 */item *assoc_find(const char *key, const size_t nkey, const uint32_t hv) {

    item *it;    unsigned int oldbucket;    /* 这一步是找到hash的桶号 */

    if (expanding &&        /* 在Hash列表进行rehash的时候，是按照桶号顺序进行的，所以如果该桶号>=目前正在处理的桶号时，意味着该数据还是旧Hash表中*/

        (oldbucket = (hv & hashmask(hashpower - 1))) >= expand_bucket)

    {

        it = old_hashtable[oldbucket];

    } else {

        it = primary_hashtable[hv & hashmask(hashpower)];

    }

    item *ret = NULL;    int depth = 0;    /* 这一步是Hash冲突列表的遍历查找 */

    while (it) {          /* Item值匹配的标准：

            1. key的长度相等

            2. key值相等

        */

        if ((nkey == it->nkey) && (memcmp(key, ITEM_key(it), nkey) == 0)) {

            ret = it;            break;

        }

        it = it->h_next;

        ++depth;

    }

    MEMCACHED_ASSOC_FIND(key, nkey, depth);    return ret;

}/* 该方法是插入操作，该Key值必须是不存在才行 */int assoc_insert(item *it, const uint32_t hv) {    unsigned int oldbucket;    /* 这一步是找到该数据应存储的桶号 */

    if (expanding &&

        (oldbucket = (hv & hashmask(hashpower - 1))) >= expand_bucket)

    {

        it->h_next = old_hashtable[oldbucket];

        old_hashtable[oldbucket] = it;

    } else {

        it->h_next = primary_hashtable[hv & hashmask(hashpower)];

        primary_hashtable[hv & hashmask(hashpower)] = it;

    }

    pthread_mutex_lock(&hash_items_counter_lock);

    hash_items++;      /* 进行rehash的条件判断，满足rehash的条件如下：

        1. 目前不是正处在rehash中

        2. hash表中的所有数据量>hash表容量的1.5倍

    */

    if (! expanding && hash_items > (hashsize(hashpower) * 3) / 2) {

        assoc_start_expand();

    }

    pthread_mutex_unlock(&hash_items_counter_lock);

    MEMCACHED_ASSOC_INSERT(ITEM_key(it), it->nkey, hash_items);    return 1;

}/* hash表中元素的删除 */void assoc_delete(const char *key, const size_t nkey, const uint32_t hv) {      /* 指针的指针，要删除元素的地址指针*/

    item **before = _hashitem_before(key, nkey, hv);    if (*before) {

        item *nxt;

        pthread_mutex_lock(&hash_items_counter_lock);

        hash_items--;

        pthread_mutex_unlock(&hash_items_counter_lock);        /* The DTrace probe cannot be triggered as the last instruction

         * due to possible tail-optimization by the compiler

         */

        MEMCACHED_ASSOC_DELETE(key, nkey, hash_items);

        nxt = (*before)->h_next;

        (*before)->h_next = 0;   /* probably pointless, but whatever. */

        *before = nxt;        return;

    }    /* Note:  we never actually get here.  the callers don't delete things

       they can't find. */

    assert(*before != 0);

}static item** _hashitem_before (const char *key, const size_t nkey, const uint32_t hv) {

    item **pos;    unsigned int oldbucket;    if (expanding &&

        (oldbucket = (hv & hashmask(hashpower - 1))) >= expand_bucket)

    {

        pos = &old_hashtable[oldbucket];

    } else {

        pos = &primary_hashtable[hv & hashmask(hashpower)];

    }    while (*pos && ((nkey != (*pos)->nkey) || memcmp(key, ITEM_key(*pos), nkey))) {

        pos = &(*pos)->h_next;

    }    return pos;

}

在看过了Memcached Hash表中数据的增删查，下面来看看Hash表的扩容实现：

/* 该方法只是Hash扩容的初始化方法 */static void assoc_expand(void) {

    old_hashtable = primary_hashtable;      /* 从这里可以看出，Hash扩容的方式是重新申请两倍大小的Hash表*/

    primary_hashtable = calloc(hashsize(hashpower + 1), sizeof(void *));    if (primary_hashtable) {        if (settings.verbose > 1)            fprintf(stderr, "Hash table expansion starting\n");

        hashpower++;

        expanding = true;

        expand_bucket = 0;

        STATS_LOCK();

        stats.hash_power_level = hashpower;

        stats.hash_bytes += hashsize(hashpower) * sizeof(void *);

        stats.hash_is_expanding = 1;

        STATS_UNLOCK();

    } else {

        primary_hashtable = old_hashtable;        /* Bad news, but we can keep running. */

    }

}static volatile int do_run_maintenance_thread = 1;#define DEFAULT_HASH_BULK_MOVE 1int hash_bulk_move = DEFAULT_HASH_BULK_MOVE;/* ReHash的线程任务 */static void *assoc_maintenance_thread(void *arg) {

    mutex_lock(&maintenance_lock);    while (do_run_maintenance_thread) {        int ii = 0;        /* There is only one expansion thread, so no need to global lock. */

          /* 这里的hash_bulk_move标记一次rehash的桶的最小个数*/

        for (ii = 0; ii < hash_bulk_move && expanding; ++ii) {

            item *it, *next;            int bucket;            void *item_lock = NULL;            /* bucket = hv & hashmask(hashpower) =>the bucket of hash table

             * is the lowest N bits of the hv, and the bucket of item_locks is

             *  also the lowest M bits of hv, and N is greater than M.

             *  So we can process expanding with only one item_lock. cool! */

              /*这里对整个桶进行加锁*/

            if ((item_lock = item_trylock(expand_bucket))) {                    for (it = old_hashtable[expand_bucket]; NULL != it; it = next) {

                        next = it->h_next;

                        bucket = hash(ITEM_key(it), it->nkey) & hashmask(hashpower);

                        it->h_next = primary_hashtable[bucket];

                        primary_hashtable[bucket] = it;

                    }                    /* 已经处理掉的桶置为NULL */

                    old_hashtable[expand_bucket] = NULL;

                    expand_bucket++;                      /* rehash完成的标记 */

                    if (expand_bucket == hashsize(hashpower - 1)) {

                        expanding = false;                        free(old_hashtable);

                        STATS_LOCK();

                        stats.hash_bytes -= hashsize(hashpower - 1) * sizeof(void *);

                        stats.hash_is_expanding = 0;

                        STATS_UNLOCK();                        if (settings.verbose > 1)                            fprintf(stderr, "Hash table expansion done\n");

                    }

            } else {

                usleep(10*1000);

            }            if (item_lock) {

                item_trylock_unlock(item_lock);

                item_lock = NULL;

            }

        }        if (!expanding) {            /* We are done expanding.. just wait for next invocation */

            started_expanding = false;

            pthread_cond_wait(&maintenance_cond, &maintenance_lock);            /* assoc_expand() swaps out the hash table entirely, so we need

             * all threads to not hold any references related to the hash

             * table while this happens.

             * This is instead of a more complex, possibly slower algorithm to

             * allow dynamic hash table expansion without causing significant

             * wait times.

             */

            pause_threads(PAUSE_ALL_THREADS);

            assoc_expand();

            pause_threads(RESUME_ALL_THREADS);

        }

    }    return NULL;

}

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