数据结构与算法简记--哈希算法

哈希算法

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 定义

将任意长度的二进制值串映射为固定长度的二进制值串，这个映射的规则就是哈希算法。

而通过原始数据映射之后得到的二进制值串就是哈希值。

特点

• 从哈希值不能反向推导出原始数据（所以哈希算法也叫单向哈希算法）；
• 对输入数据非常敏感，哪怕原始数据只修改了一个 Bit，最后得到的哈希值也大不相同；
• 散列冲突的概率要很小，对于不同的原始数据，哈希值相同的概率非常小；
• 哈希算法的执行效率要尽量高效，针对较长的文本，也能快速地计算出哈希值。

应用一：安全加密

• 常用于加密的哈希算法：

　　 MD5（MD5 Message-Digest Algorithm，MD5 消息摘要算法）

SHA（Secure Hash Algorithm，安全散列算法）。

• 其他加密算法：DES（Data Encryption Standard，数据加密标准）、AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）。

应用二：唯一标识

• 图片唯一标识
  • 从图片的二进制码串开头取 100 个字节，从中间取 100 个字节，从最后再取 100 个字节，然后将这 300 个字节放到一块，通过哈希算法（比如 MD5），得到一个哈希字符串。
  • 用它作为图片的唯一标识。通过这个唯一标识来判定图片是否在图库中，这样就可以减少很多工作量。

应用三：数据校验（利用输入数据敏感性）

• BT下载原理
  • 基于 P2P 协议的。从多个机器上并行下载一个 2GB 的电影，这个电影文件可能会被分割成很多文件块（比如可以分成 100 块，每块大约 20MB）。等所有的文件块都下载完成之后，再组装成一个完整的电影文件就行了
• BT下载文件的数据检验：
  • 通过哈希算法，对 100 个文件块分别取哈希值，并且保存在种子文件中
  • 当文件块下载完成之后，通过相同的哈希算法，对下载好的文件块逐一求哈希值，然后跟种子文件中保存的哈希值比对。
  • 如果不同，说明这个文件块不完整或者被篡改了，需要再重新从其他宿主机器上下载这个文件块。

应用四：散列函数

• 散列函数关注点：
  • 不关心是否能反向解密
  • 关注散列后的值是否能平均分布
  • 关注散列算法的性能

如何防止数据库中的用户信息被脱库？

• 通过哈希算法，对用户密码进行加密之后再存储，不过最好选择相对安全的加密算法，比如 SHA 等（因为 MD5 已经号称被破解了）
• 字典攻击风险：维护一个常用密码的字典表，把字典中的每个密码用哈希算法计算哈希值，然后拿哈希值跟脱库后的密文比对。如果相同，基本上就可以认为，这个加密之后的密码对应的明文就是字典中的这个密码。
• 针对字典攻击策略：引入一个盐（salt），跟用户的密码组合在一起，增加密码的复杂度。我们拿组合之后的字符串来做哈希算法加密，将它存储到数据库中，进一步增加破解的难度。

 应用五：负载均衡

• 负载均衡算法：轮询、随机、加权轮询等。
• 那如何才能实现一个会话粘滞（session sticky）的负载均衡算法呢？也就是说，我们需要在同一个客户端上，在一次会话中的所有请求都路由到同一个服务器上。
  • 直接的方法：
    • 维护一张映射关系表，这张表的内容是客户端 IP 地址或者会话 ID 与服务器编号的映射关系。客户端发出的每次请求，都要先在映射表中查找应该路由到的服务器编号，然后再请求编号对应的服务器。
    • 弊端：如果客户端很多，映射表可能会很大，比较浪费内存空间；客户端下线、上线，服务器扩容、缩容都会导致映射失效，这样维护映射表的成本就会很大；
  • 借助hash算法：
    • 通过哈希算法，对客户端 IP 地址或者会话 ID 计算哈希值，将取得的哈希值与服务器列表的大小进行取模运算，最终得到的值就是应该被路由到的服务器编号。 这样，我们就可以把同一个 IP 过来的所有请求，都路由到同一个后端服务器上。

应用六：数据分片

• 统计“搜索关键词”出现的次数： 1T 的日志文件，记录了用户的搜索关键词，快速统计出每个关键词被搜索的次数，该怎么做呢？
  • 先对数据进行分片，然后采用多台机器处理的方法，来提高处理速度：
  • 用 n 台机器并行处理，从搜索记录的日志文件中，依次读出每个搜索关键词，并且通过哈希函数计算哈希值，然后再跟 n 取模，最终得到的值，就是应该被分配到的机器编号。
• 快速判断图片是否在图库中：
  • 判断一个图片是否在图库中的时候，通过应用二同样的哈希算法，计算这个图片的唯一标识，然后与机器个数 n 求余取模。假设得到的值是 k，那就去编号 k 的机器构建的散列表中查找。

应用七：分布式存储

• 互联网面对的都是海量的数据、海量的用户。为了提高数据的读取、写入能力，一般都采用分布式的方式来存储数据，比如分布式缓存。海量的数据需要缓存，需要将数据分布在多台机器上
  • 借用前面数据分片的思想，即通过哈希算法对数据取哈希值，然后对机器个数取模，这个最终值就是应该存储的缓存机器编号。
  • 机器扩容问题：如果原有10台机器，数据13，通过hash算法算出机器编号为13%10=3，现扩容至11台，则机器编号为13%11=2，缓存机器编号计算不一致了，缓存就失效了，都要去数据库查询，大大影响性能。
  • 一致性哈希算法：
    • 把全量的缓存空间当做一个环形存储结构。环形空间总共分成2^32个缓存区，在Redis中则是把缓存key分配到16384个slot。
    • 每一个缓存key都可以通过Hash算法转化为一个32位的二进制数，也就对应着环形空间的某一个缓存区。我们把所有的缓存key映射到环形空间的不同位置。
    • 我们的每一个缓存节点（Shard）也遵循同样的Hash算法，比如利用IP做Hash，映射到环形空间当中。
    • 如何让key和节点对应起来呢？很简单，每一个key的顺时针方向最近节点，就是key所归属的存储节点。所以图中key1存储于node1，key2，key3存储于node2，key4存储于node3。
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    • 增加节点：当缓存集群的节点有所增加的时候，整个环形空间的映射仍然会保持一致性哈希的顺时针规则，所以有一小部分key的归属会受到影响。

      • 图中加入了新节点node4，处于node1和node2之间，按照顺时针规则，从node1到node4之间的缓存不再归属于node2，而是归属于新节点node4。因此受影响的key只有key2。

      • 最终把key2的缓存数据从node2迁移到node4，就形成了新的符合一致性哈希规则的缓存结构
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    • 删除节点与增加类似

    • 注意缓存迁移的意思：并不是把数据复制过去，而是在所属的新的节点上缓存不命中时刷新缓存。

    • 虚拟节点：为了防止节点在环上分布不均匀使得数据分布不均匀，创建多个虚拟节点，虚拟节点按一定的规则与真实节点形成映射关系。
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其他应用

• 网络协议中的 CRC 校验
• Git commit id