Code Coverage
 
Lines
Functions and Methods
Classes and Traits
Total
87.33% covered (warning)
87.33%
131 / 150
44.44% covered (danger)
44.44%
8 / 18
CRAP
0.00% covered (danger)
0.00%
0 / 1
HashRing
87.33% covered (warning)
87.33%
131 / 150
44.44% covered (danger)
44.44%
8 / 18
66.07
0.00% covered (danger)
0.00%
0 / 1
 __construct
100.00% covered (success)
100.00%
1 / 1
100.00% covered (success)
100.00%
1 / 1
1
 init
72.73% covered (warning)
72.73%
8 / 11
0.00% covered (danger)
0.00%
0 / 1
4.32
 getLocation
100.00% covered (success)
100.00%
1 / 1
100.00% covered (success)
100.00%
1 / 1
1
 getLocations
90.00% covered (success)
90.00%
18 / 20
0.00% covered (danger)
0.00%
0 / 1
9.08
 findNodeIndexForPosition
86.96% covered (warning)
86.96%
20 / 23
0.00% covered (danger)
0.00%
0 / 1
9.18
 getLocationWeights
100.00% covered (success)
100.00%
1 / 1
100.00% covered (success)
100.00%
1 / 1
1
 ejectFromLiveRing
83.33% covered (warning)
83.33%
5 / 6
0.00% covered (danger)
0.00%
0 / 1
2.02
 getLiveLocation
100.00% covered (success)
100.00%
1 / 1
100.00% covered (success)
100.00%
1 / 1
1
 getLiveLocations
100.00% covered (success)
100.00%
1 / 1
100.00% covered (success)
100.00%
1 / 1
1
 getLiveLocationWeights
100.00% covered (success)
100.00%
10 / 10
100.00% covered (success)
100.00%
1 / 1
1
 buildLocationRing
92.59% covered (success)
92.59%
25 / 27
0.00% covered (danger)
0.00%
0 / 1
8.03
 getItemPosition
71.43% covered (warning)
71.43%
5 / 7
0.00% covered (danger)
0.00%
0 / 1
3.21
 getNodePositionQuartet
85.71% covered (warning)
85.71%
6 / 7
0.00% covered (danger)
0.00%
0 / 1
3.03
 getNextClockwiseNodeIndex
75.00% covered (warning)
75.00%
3 / 4
0.00% covered (danger)
0.00%
0 / 1
3.14
 getLiveRing
85.71% covered (warning)
85.71%
18 / 21
0.00% covered (danger)
0.00%
0 / 1
8.19
 getCurrentTime
100.00% covered (success)
100.00%
1 / 1
100.00% covered (success)
100.00%
1 / 1
1
 __serialize
100.00% covered (success)
100.00%
5 / 5
100.00% covered (success)
100.00%
1 / 1
1
 __unserialize
66.67% covered (warning)
66.67%
2 / 3
0.00% covered (danger)
0.00%
0 / 1
2.15
1<?php
2/**
3 * Convenience class for weighted consistent hash rings.
4 *
5 * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
6 * it under the terms of the GNU General Public License as published by
7 * the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
8 * (at your option) any later version.
9 *
10 * This program is distributed in the hope that it will be useful,
11 * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
12 * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the
13 * GNU General Public License for more details.
14 *
15 * You should have received a copy of the GNU General Public License along
16 * with this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc.,
17 * 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301, USA.
18 * http://www.gnu.org/copyleft/gpl.html
19 *
20 * @file
21 */
22
23/**
24 * Convenience class for weighted consistent hash rings
25 *
26 * This deterministically maps "keys" to a set of "locations" while avoiding clumping
27 *
28 * Each location is represented by a number of nodes on a ring proportionate to the ratio
29 * of its weight compared to the total location weight. Note positions are deterministically
30 * derived from the hash of the location name. Nodes are responsible for the portion of the
31 * ring, counter-clockwise, up until the next node. Locations are responsible for all portions
32 * of the ring that the location's nodes are responsible for.
33 *
34 * A location that is temporarily "ejected" is said to be absent from the "live" ring.
35 * If no location ejections are active, then the base ring and live ring are identical.
36 *
37 * This class is designed in a way that using the "md5" algorithm will make it compatible
38 * with libketama, e.g. OPT_LIBKETAMA_COMPATIBLE from the PECL memcached extension or "ketama"
39 * from twemproxy. This can simplify the process of switching client libraries. However, note
40 * that different clients might use incompatible 32-bit memcached value flag conventions.
41 *
42 * @since 1.22
43 */
44class HashRing {
45    /** @var string Hashing algorithm for hash() */
46    protected $algo;
47    /** @var int[] Non-empty (location => integer weight) */
48    protected $weightByLocation;
49    /** @var int[] Map of (location => UNIX timestamp) */
50    protected $ejectExpiryByLocation;
51
52    /** @var array[] Non-empty position-ordered list of (position, location name) */
53    protected $baseRing;
54    /** @var array[]|null Non-empty position-ordered list of (position, location name) */
55    protected $liveRing;
56
57    /** @var integer Overall number of node groups per server */
58    private const HASHES_PER_LOCATION = 40;
59    /** @var integer Number of nodes in a node group */
60    private const SECTORS_PER_HASH = 4;
61
62    public const KEY_POS = 0;
63    public const KEY_LOCATION = 1;
64
65    /** @var int Consider all locations */
66    public const RING_ALL = 0;
67    /** @var int Only consider "live" locations */
68    public const RING_LIVE = 1;
69
70    /**
71     * Make a consistent hash ring given a set of locations and their weight values
72     *
73     * @param int[] $map Map of (location => weight)
74     * @param string $algo Hashing algorithm listed in hash_algos() [optional]
75     * @param int[] $ejections Map of (location => UNIX timestamp) for ejection expiries
76     * @since 1.31
77     */
78    public function __construct( array $map, $algo = 'sha1', array $ejections = [] ) {
79        $this->init( $map, $algo, $ejections );
80    }
81
82    /**
83     * @param int[] $map Map of (location => integer)
84     * @param string $algo Hashing algorithm
85     * @param int[] $ejections Map of (location => UNIX timestamp) for ejection expires
86     */
87    protected function init( array $map, $algo, array $ejections ) {
88        if ( !in_array( $algo, hash_algos(), true ) ) {
89            throw new RuntimeException( __METHOD__ . ": unsupported '$algo' hash algorithm." );
90        }
91
92        $weightByLocation = array_filter( $map );
93        if ( $weightByLocation === [] ) {
94            throw new UnexpectedValueException( "No locations with non-zero weight." );
95        } elseif ( min( $map ) < 0 ) {
96            throw new InvalidArgumentException( "Location weight cannot be negative." );
97        }
98
99        $this->algo = $algo;
100        $this->weightByLocation = $weightByLocation;
101        $this->ejectExpiryByLocation = $ejections;
102        $this->baseRing = $this->buildLocationRing( $this->weightByLocation );
103    }
104
105    /**
106     * Get the location of an item on the ring
107     *
108     * @param string $item
109     * @return string Location
110     * @throws UnexpectedValueException
111     */
112    final public function getLocation( $item ) {
113        return $this->getLocations( $item, 1 )[0];
114    }
115
116    /**
117     * Get the location of an item on the ring followed by the next ring locations
118     *
119     * @param string $item
120     * @param int $limit Maximum number of locations to return
121     * @param int $from One of the RING_* class constants
122     * @return string[] List of locations
123     * @throws UnexpectedValueException
124     */
125    public function getLocations( $item, $limit, $from = self::RING_ALL ) {
126        if ( $from === self::RING_ALL ) {
127            $ring = $this->baseRing;
128        } elseif ( $from === self::RING_LIVE ) {
129            $ring = $this->getLiveRing();
130        } else {
131            throw new InvalidArgumentException( "Invalid ring source specified." );
132        }
133
134        // Short-circuit for the common single-location case. Note that if there was only one
135        // location and it was ejected from the live ring, getLiveRing() would have error out.
136        if ( count( $this->weightByLocation ) == 1 ) {
137            return ( $limit > 0 ) ? [ $ring[0][self::KEY_LOCATION] ] : [];
138        }
139
140        // Locate the node index for this item's position on the hash ring
141        $itemIndex = $this->findNodeIndexForPosition( $this->getItemPosition( $item ), $ring );
142
143        $locations = [];
144        $currentIndex = null;
145        while ( count( $locations ) < $limit ) {
146            if ( $currentIndex === null ) {
147                $currentIndex = $itemIndex;
148            } else {
149                $currentIndex = $this->getNextClockwiseNodeIndex( $currentIndex, $ring );
150                if ( $currentIndex === $itemIndex ) {
151                    break; // all nodes visited
152                }
153            }
154            // @phan-suppress-next-line PhanTypeMismatchDimFetchNullable False positive
155            $nodeLocation = $ring[$currentIndex][self::KEY_LOCATION];
156            if ( !in_array( $nodeLocation, $locations, true ) ) {
157                // Ignore other nodes for the same locations already added
158                $locations[] = $nodeLocation;
159            }
160        }
161
162        return $locations;
163    }
164
165    /**
166     * @param float $position
167     * @param array[] $ring Either the base or live ring
168     * @return int|null
169     */
170    private function findNodeIndexForPosition( $position, $ring ) {
171        $count = count( $ring );
172        if ( $count === 0 ) {
173            return null;
174        }
175
176        $index = null;
177        $lowPos = 0;
178        $highPos = $count;
179        while ( true ) {
180            $midPos = (int)( ( $lowPos + $highPos ) / 2 );
181            if ( $midPos === $count ) {
182                $index = 0;
183                break;
184            }
185
186            $midVal = $ring[$midPos][self::KEY_POS];
187            $midMinusOneVal = ( $midPos === 0 ) ? 0 : $ring[$midPos - 1][self::KEY_POS];
188            if ( $position <= $midVal && $position > $midMinusOneVal ) {
189                $index = $midPos;
190                break;
191            }
192
193            if ( $midVal < $position ) {
194                $lowPos = $midPos + 1;
195            } else {
196                $highPos = $midPos - 1;
197            }
198
199            if ( $lowPos > $highPos ) {
200                $index = 0;
201                break;
202            }
203        }
204
205        return $index;
206    }
207
208    /**
209     * Get the map of locations to weight (does not include zero weight items)
210     *
211     * @return int[]
212     */
213    public function getLocationWeights() {
214        return $this->weightByLocation;
215    }
216
217    /**
218     * Remove a location from the "live" hash ring
219     *
220     * @param string $location
221     * @param int $ttl Seconds
222     * @return bool Whether some non-ejected locations are left
223     * @throws UnexpectedValueException
224     */
225    public function ejectFromLiveRing( $location, $ttl ) {
226        if ( !isset( $this->weightByLocation[$location] ) ) {
227            throw new UnexpectedValueException( "No location '$location' in the ring." );
228        }
229
230        $expiry = $this->getCurrentTime() + $ttl;
231        $this->ejectExpiryByLocation[$location] = $expiry;
232
233        $this->liveRing = null; // invalidate ring cache
234
235        return ( count( $this->ejectExpiryByLocation ) < count( $this->weightByLocation ) );
236    }
237
238    /**
239     * Get the location of an item on the "live" ring
240     *
241     * @param string $item
242     * @return string Location
243     * @throws UnexpectedValueException
244     */
245    final public function getLiveLocation( $item ) {
246        return $this->getLocations( $item, 1, self::RING_LIVE )[0];
247    }
248
249    /**
250     * Get the location of an item on the "live" ring, as well as the next locations
251     *
252     * @param string $item
253     * @param int $limit Maximum number of locations to return
254     * @return string[] List of locations
255     * @throws UnexpectedValueException
256     */
257    final public function getLiveLocations( $item, $limit ) {
258        return $this->getLocations( $item, $limit, self::RING_LIVE );
259    }
260
261    /**
262     * Get the map of "live" locations to weight (does not include zero weight items)
263     *
264     * @return int[]
265     * @throws UnexpectedValueException
266     */
267    public function getLiveLocationWeights() {
268        $now = $this->getCurrentTime();
269
270        return array_diff_key(
271            $this->weightByLocation,
272            array_filter(
273                $this->ejectExpiryByLocation,
274                static function ( $expiry ) use ( $now ) {
275                    return ( $expiry > $now );
276                }
277            )
278        );
279    }
280
281    /**
282     * @param int[] $weightByLocation
283     * @return array[]
284     */
285    private function buildLocationRing( array $weightByLocation ) {
286        $locationCount = count( $weightByLocation );
287        $totalWeight = array_sum( $weightByLocation );
288
289        $ring = [];
290        // Assign nodes to all locations based on location weight
291        $claimed = []; // (position as string => (node, index))
292        foreach ( $weightByLocation as $location => $weight ) {
293            $ratio = $weight / $totalWeight;
294            // There $locationCount * (HASHES_PER_LOCATION * 4) nodes available;
295            // assign a few groups of nodes to this location based on its weight.
296            $nodesQuartets = intval( $ratio * self::HASHES_PER_LOCATION * $locationCount );
297            for ( $qi = 0; $qi < $nodesQuartets; ++$qi ) {
298                // For efficiency, get 4 points per hash call and 4X node count.
299                // If $algo is MD5, then this matches that of with libketama.
300                // See https://github.com/RJ/ketama/blob/master/libketama/ketama.c
301                $positions = $this->getNodePositionQuartet( "{$location}-{$qi}" );
302                foreach ( $positions as $gi => $position ) {
303                    $node = ( $qi * self::SECTORS_PER_HASH + $gi ) . "@$location";
304                    $posKey = (string)$position; // large integer
305                    if ( isset( $claimed[$posKey] ) ) {
306                        // Disallow duplicates  (name decides precedence)
307                        if ( $claimed[$posKey]['node'] > $node ) {
308                            continue;
309                        } else {
310                            unset( $ring[$claimed[$posKey]['index']] );
311                        }
312                    }
313                    $ring[] = [
314                        self::KEY_POS => $position,
315                        self::KEY_LOCATION => $location
316                    ];
317                    $claimed[$posKey] = [ 'node' => $node, 'index' => count( $ring ) - 1 ];
318                }
319            }
320        }
321        // Sort the locations into clockwise order based on the hash ring position
322        usort( $ring, static function ( $a, $b ) {
323            if ( $a[self::KEY_POS] === $b[self::KEY_POS] ) {
324                throw new UnexpectedValueException( 'Duplicate node positions.' );
325            }
326
327            return ( $a[self::KEY_POS] < $b[self::KEY_POS] ? -1 : 1 );
328        } );
329
330        return $ring;
331    }
332
333    /**
334     * @param string $item Key
335     * @return float Ring position; integral number in [0, 4294967296] (2^32)
336     */
337    private function getItemPosition( $item ) {
338        // If $algo is MD5, then this matches that of with libketama.
339        // See https://github.com/RJ/ketama/blob/master/libketama/ketama.c
340        $octets = substr( hash( $this->algo, (string)$item, true ), 0, 4 );
341        if ( strlen( $octets ) != 4 ) {
342            throw new UnexpectedValueException( __METHOD__ . "{$this->algo} is < 32 bits." );
343        }
344
345        $pos = unpack( 'V', $octets )[1];
346        if ( $pos < 0 ) {
347            // Most-significant-bit is set, causing unpack() to return a negative integer due
348            // to the fact that it returns a signed int. Cast it to an unsigned integer string.
349            $pos = sprintf( '%u', $pos );
350        }
351
352        return (float)$pos;
353    }
354
355    /**
356     * @param string $nodeGroupName
357     * @return float[] Four ring positions on [0, 4294967296] (2^32)
358     */
359    private function getNodePositionQuartet( $nodeGroupName ) {
360        $octets = substr( hash( $this->algo, (string)$nodeGroupName, true ), 0, 16 );
361        if ( strlen( $octets ) != 16 ) {
362            throw new UnexpectedValueException( __METHOD__ . "{$this->algo} is < 128 bits." );
363        }
364
365        $positions = [];
366        foreach ( unpack( 'V4', $octets ) as $signed ) {
367            $positions[] = (float)sprintf( '%u', $signed );
368        }
369
370        return $positions;
371    }
372
373    /**
374     * @param int $i Valid index for a node in the ring
375     * @param array[] $ring Either the base or live ring
376     * @return int Valid index for a node in the ring
377     */
378    private function getNextClockwiseNodeIndex( $i, $ring ) {
379        if ( !isset( $ring[$i] ) ) {
380            throw new UnexpectedValueException( __METHOD__ . ": reference index is invalid." );
381        }
382
383        $next = $i + 1;
384
385        return ( $next < count( $ring ) ) ? $next : 0;
386    }
387
388    /**
389     * Get the "live" hash ring (which does not include ejected locations)
390     *
391     * @return array[]
392     * @throws UnexpectedValueException
393     */
394    protected function getLiveRing() {
395        if ( !$this->ejectExpiryByLocation ) {
396            return $this->baseRing; // nothing ejected
397        }
398
399        $now = $this->getCurrentTime();
400
401        if ( $this->liveRing === null || min( $this->ejectExpiryByLocation ) <= $now ) {
402            // Live ring needs to be regenerated...
403            $this->ejectExpiryByLocation = array_filter(
404                $this->ejectExpiryByLocation,
405                static function ( $expiry ) use ( $now ) {
406                    return ( $expiry > $now );
407                }
408            );
409
410            if ( count( $this->ejectExpiryByLocation ) ) {
411                // Some locations are still ejected from the ring
412                $liveRing = [];
413                foreach ( $this->baseRing as $nodeInfo ) {
414                    $location = $nodeInfo[self::KEY_LOCATION];
415                    if ( !isset( $this->ejectExpiryByLocation[$location] ) ) {
416                        $liveRing[] = $nodeInfo;
417                    }
418                }
419            } else {
420                $liveRing = $this->baseRing;
421            }
422
423            $this->liveRing = $liveRing;
424        }
425
426        if ( !$this->liveRing ) {
427            throw new UnexpectedValueException( "The live ring is currently empty." );
428        }
429
430        return $this->liveRing;
431    }
432
433    /**
434     * @return int UNIX timestamp
435     */
436    protected function getCurrentTime() {
437        return time();
438    }
439
440    public function __serialize() {
441        return [
442            'algorithm' => $this->algo,
443            'locations' => $this->weightByLocation,
444            'ejections' => $this->ejectExpiryByLocation
445        ];
446    }
447
448    public function __unserialize( $data ) {
449        if ( is_array( $data ) ) {
450            $this->init( $data['locations'] ?? [], $data['algorithm'] ?? 'sha1', $data['ejections'] ?? [] );
451        } else {
452            throw new UnexpectedValueException( __METHOD__ . ": unable to decode JSON." );
453        }
454    }
455}