在说分布式ID的具体实现之前,我们来简单分析一下为什么用分布式ID?分布式ID应该满足哪些特征?
拿MySQL数据库举个栗子:
在我们业务数据量不大的时候,单库单表完全可以支撑现有业务,数据再大一点搞个MySQL主从同步读写分离也能对付。
但随着数据日渐增长,主从同步也扛不住了,就需要对数据库进行分库分表,但分库分表后需要有一个唯一ID来标识一条数据,数据库的自增ID显然不能满足需求;特别一点的如订单、优惠券也都需要有唯一ID
做标识。此时一个能够生成全局唯一ID
的系统是非常必要的。那么这个全局唯一ID
就叫分布式ID
今天主要分析一下以下9种,分布式ID生成器方式以及优缺点:
那么它们都是如何实现?以及各自有什么优缺点?我们往下看
UUID (Universally Unique Identifier),通用唯一识别码的缩写。UUID是由一组32位数的16进制数字所构成,所以UUID理论上的总数为 1632=2128,约等于 3.4 x 10^38。也就是说若每纳秒产生1兆个UUID,要花100亿年才会将所有UUID用完。
生成的UUID是由 8-4-4-4-12
格式的数据组成,其中32个字符和4个连字符’ - ',一般我们使用的时候会将连字符删除 uuid.toString().replaceAll("-","")
。
目前UUID的产生方式有5种版本,每个版本的算法不同,应用范围也不同。
org.apache.logging.log4j.core.util
包中的 UuidUtil.getTimeBasedUuid()
来使用或者其他包中工具。由于使用了MAC地址,因此能够确保唯一性,但是同时也暴露了MAC地址,私密性不够好。我们 Java中 JDK自带的 UUID产生方式就是版本4根据随机数生成的 UUID 和版本3基于名字的 UUID,有兴趣的可以去看看它的源码
public static void main(String[] args) {
//获取一个版本4根据随机字节数组的UUID。
UUID uuid = UUID.randomUUID();
System.out.println(uuid.toString().replaceAll("-", ""));
//获取一个版本3(基于名称)根据指定的字节数组的UUID。
byte[] nbyte = {10, 20, 30};
UUID uuidFromBytes = UUID.nameUUIDFromBytes(nbyte);
System.out.println(uuidFromBytes.toString().replaceAll("-", ""));
}
优点
缺点
基于数据库的auto_increment
自增ID完全可以充当分布式ID
,具体实现:需要一个单独的MySQL实例用来生成ID,建表结构如下:
CREATE DATABASE `SEQ_ID`;
CREATE TABLE SEQID.SEQUENCE_ID (
id bigint(20) unsigned NOT NULL auto_increment,
value char(10) NOT NULL default '',
PRIMARY KEY (id),
);
insert into SEQUENCE_ID(value) VALUES ('values');
优点
缺点
前边说了单点数据库方式不可取,那对上边的方式做一些高可用优化,换成主从模式集群。害怕一个主节点挂掉没法用,那就做双主模式集群,也就是两个Mysql实例都能单独的生产自增ID
那这样还会有个问题,两个MySQL实例的自增ID都从1开始,会生成重复的ID怎么办?
解决方案:设置起始值
和自增步长
MySQL_1 配置:
set @@auto_increment_offset = 1; -- 起始值
set @@auto_increment_increment = 2; -- 步长
MySQL_2 配置:
set @@auto_increment_offset = 2; -- 起始值
set @@auto_increment_increment = 2; -- 步长
这样两个MySQL实例的自增ID分别就是:
1、3、5、7、9
2、4、6、8、10
那如果集群后的性能还是扛不住高并发咋办?就要进行MySQL扩容增加节点,这是一个比较麻烦的事。
水平扩展的数据库集群,有利于解决数据库单点压力的问题,同时为了ID生成特性,将自增步长按照机器数量来设置。
增加第三台MySQL
实例需要人工修改一、二两台MySQL实例
的起始值和步长,把第三台机器的ID
起始生成位置设定在比现有最大自增ID
的位置远一些,但必须在一、二两台MySQL实例
ID还没有增长到第三台MySQL实例
的起始ID
值的时候,否则自增ID
就要出现重复了,必要时可能还需要停机修改。
优点
缺点
号段模式是当下分布式ID生成器的主流实现方式之一,号段模式可以理解为从数据库批量的获取自增ID,每次从数据库取出一个号段范围,例如 (1,1000] 代表1000个ID,具体的业务服务将本号段,生成1~1000的自增ID并加载到内存。表结构如下:
CREATE TABLE id_generator (
id int(10) NOT NULL,
max_id bigint(20) NOT NULL COMMENT '当前最大id',
step int(20) NOT NULL COMMENT '号段的布长',
biz_type int(20) NOT NULL COMMENT '业务类型',
version int(20) NOT NULL COMMENT '版本号',
PRIMARY KEY (`id`)
);
biz_type :代表不同业务类型
max_id :当前最大的可用id
step :代表号段的长度
version :是一个乐观锁,每次都更新version版本,保证并发时数据的正确性
id | biz_type | max_id | step | version |
---|---|---|---|---|
1 | 101 | 1000 | 2000 | 0 |
等这批号段ID用完,再次向数据库申请新号段,对max_id
字段做一次update
操作,update max_id= max_id + step
,update成功则说明新号段获取成功,新的号段范围是(max_id ,max_id +step]
update id_generator set max_id = #{max_id+step}, version = version + 1 where version = # {version} and biz_type = XXX
由于多业务端可能同时操作,所以采用版本号version
乐观锁方式更新,这种分布式ID
生成方式不强依赖于数据库,不会频繁的访问数据库,对数据库的压力小很多。
优点
缺点
Redis实现分布式唯一ID主要是通过提供像 INCR 和 INCRBY 这样的自增原子命令,由于Redis自身的单线程的特点所以能保证生成的 ID 肯定是唯一有序的。
127.0.0.1:6379> set seq_id 1 // 初始化自增ID为1
OK
127.0.0.1:6379> incr seq_id // 增加1,并返回递增后的数值
(integer) 2
但是单机存在性能瓶颈,无法满足高并发的业务需求,所以可以采用集群的方式来实现。集群的方式又会涉及到和数据库集群同样的问题,所以也需要设置分段和步长来实现。
为了避免长期自增后数字过大可以通过与当前时间戳组合起来使用,另外为了保证并发和业务多线程的问题可以采用 Redis + Lua的方式进行编码,保证安全。
优点
缺点
需要系统引进redis组件,增加了系统的配置复杂性
需要编码和配置的工作量比较大
Redis单点故障,影响服务可用性
用redis
实现需要注意一点,要考虑到redis持久化的问题。redis
有两种持久化方式RDB
和AOF
RDB
会定时打一个快照进行持久化,假如连续自增但redis
没及时持久化,而这会Redis挂掉了,重启Redis后会出现ID重复的情况。
AOF
会对每条写命令进行持久化,即使Redis
挂掉了也不会出现ID重复的情况,但由于incr命令的特殊性,会导致Redis
重启恢复的数据时间过长。
雪花算法(Snowflake)是twitter公司内部分布式项目采用的ID生成算法,开源后广受国内大厂的好评,在该算法影响下各大公司相继开发出各具特色的分布式ID生成器。
Snowflake
生成的是Long类型的ID,一个Long类型占8个字节,每个字节占8比特,也就是说一个Long类型占64个比特。
Snowflake ID组成结构:正数位
(占1比特)+ 时间戳
(占41比特)+ 机器ID
(占5比特)+ 数据中心
(占5比特)+ 自增值
(占12比特),总共64比特组成的一个Long类型。
workId
,这个可以灵活配置,机房或者机器号组合都可以。根据这个算法的逻辑,只需要将这个算法用Java语言实现出来,封装为一个工具方法,那么各个业务应用可以直接使用该工具方法来获取分布式ID,只需保证每个业务应用有自己的工作机器id即可,而不需要单独去搭建一个获取分布式ID的应用。
Java版本的Snowflake
算法实现
public class SnowflakeIdWorker {
/**
* 起始的时间戳,2020-01-01 00:00:00
*/
private final static long START_TIMESTAMP = 1577808000000L;
/**
* 数据中心占用的位数
*/
private final static long DATACENTER_ID_BIT = 5;
/**
* 工作机器标识占用的位数
*/
private final static long WORKER_ID_BIT = 5;
/**
* 序列号占用的位数
*/
private final static long SEQUENCE_BIT = 12;
/**
* 支持的数据中心最大值
*/
private final static long MAX_DATACENTER_ID = ~(-1L << DATACENTER_ID_BIT);
/**
* 支持的工作机器标识最大值
*/
private final static long MAX_WORKER_ID = ~(-1L << WORKER_ID_BIT);
/**
* 支持的序列号最大值
*/
private final static long MAX_SEQUENCE = ~(-1L << SEQUENCE_BIT);
/**
* 工作机器标识向左移12位
*/
private final static long WORKER_ID_LEFT = SEQUENCE_BIT;
/**
* 数据中心向左移(12+5)位
*/
private final static long DATACENTER_ID_LEFT = SEQUENCE_BIT + WORKER_ID_BIT;
/**
* 时间戳向左移(12+5+5)位
*/
private final static long TIMESTAMP_LEFT = DATACENTER_ID_LEFT + DATACENTER_ID_BIT;
/**
* 数据中心
*/
private final long datacenterId;
/**
* 工作机器标识
*/
private final long workerId;
/**
* 序列号
*/
private long sequence = 0L;
/**
* 上一次时间戳
*/
private long lastTimestamp = -1L;
/**
* 构造函数
*
* @param datacenterId 数据中心 (0~31)
* @param workerId 工作机器标识 (0~31)
*/
public SnowflakeIdWorker(long datacenterId, long workerId) {
if (datacenterId > MAX_DATACENTER_ID || datacenterId < 0) {
throw new IllegalArgumentException("datacenterId can't be greater than MAX_DATACENTER_ID or less than 0");
}
if (workerId > MAX_WORKER_ID || workerId < 0) {
throw new IllegalArgumentException("workerId can't be greater than MAX_WORKER_ID or less than 0");
}
this.datacenterId = datacenterId;
this.workerId = workerId;
}
/**
* 获取下一个ID (该方法是线程安全的)
*
* @return long SnowflakeId
*/
public synchronized long nextId() {
long currentTimestamp = currentTimeMillis();
//如果当前时间小于上一次ID生成的时间戳,说明系统时钟回退过这个时候应当抛出异常
if (currentTimestamp < lastTimestamp) {
throw new RuntimeException("Clock moved backwards. Refusing to generate id");
}
//如果是同一时间生成的,则进行毫秒内序列
if (currentTimestamp == lastTimestamp) {
//相同毫秒内,序列号自增
sequence = (sequence + 1) & MAX_SEQUENCE;
//同一毫秒的序列数已经达到最大
if (sequence == 0L) {
currentTimestamp = nextTimeMillis();
}
} else {
//不同毫秒内,序列号置为0
sequence = 0L;
}
//上次生成ID的时间戳
lastTimestamp = currentTimestamp;
//移位并通过或运算拼到一起组成64位的ID
//时间戳部分
return (currentTimestamp - START_TIMESTAMP) << TIMESTAMP_LEFT
//数据中心部分
| datacenterId << DATACENTER_ID_LEFT
//工作机器标识部分
| workerId << WORKER_ID_LEFT
//序列号部分
| sequence;
}
/**
* 阻塞到下一个毫秒,直到获得新的时间戳
*
* @return 当前时间戳
*/
private long nextTimeMillis() {
long mill = currentTimeMillis();
while (mill <= lastTimestamp) {
mill = currentTimeMillis();
}
return mill;
}
/**
* 返回以毫秒为单位的当前时间
*
* @return 当前时间(毫秒)
*/
private long currentTimeMillis() {
return System.currentTimeMillis();
}
public static void main(String[] args) {
SnowflakeIdWorker snowflake = new SnowflakeIdWorker(2, 3);
for (int i = 0; i < (1 << 10); i++) {
System.out.println(snowflake.nextId());
}
}
}
雪花算法提供了一个很好的设计思想,雪花算法生成的ID是趋势递增,不依赖数据库等第三方系统,以服务的方式部署,稳定性更高,生成ID的性能也是非常高的,而且可以根据自身业务特性分配bit位,非常灵活。
但是雪花算法强依赖机器时钟,如果机器上时钟回拨,会导致发号重复或者服务会处于不可用状态。如果恰巧回退前生成过一些ID,而时间回退后,生成的ID就有可能重复。官方对于此并没有给出解决方案,而是简单的抛错处理,这样会造成在时间被追回之前的这段时间服务不可用。
很多其他类雪花算法也是在此思想上的设计然后改进规避它的缺陷,后面介绍的百度 UidGenerator 和 美团分布式ID生成系统 Leaf 中snowflake模式都是在 snowflake 的基础上演进出来的。
优点
缺点
uid-generator
是由百度技术部开发,项目GitHub地址 https://github.com/baidu/uid-generator
uid-generator
是基于Snowflake
算法实现的,与原始的snowflake
算法不同在于,uid-generator
支持自定义时间戳
、工作机器ID
和 序列号
等各部分的位数,而且uid-generator
中采用用户自定义workId
的生成策略。
uid-generator
需要与数据库配合使用,需要新增一个WORKER_NODE
表。当应用启动时会向数据库表中去插入一条数据,插入成功后返回的自增ID就是该机器的workId
数据,由host,port组成。
对于uid-generator
ID组成结构:
workId
,占用了22个bit位,时间占用了28个bit位,序列化占用了13个bit位,需要注意的是,和原始的snowflake
不太一样,时间的单位是秒,而不是毫秒,workId
也不一样,而且同一应用每次重启就会消费一个workId
。
参考文献
https://github.com/baidu/uid-generator/blob/master/README.zh_cn.md
Leaf
由美团开发,github地址:https://github.com/Meituan-Dianping/Leaf
Leaf
同时支持号段模式和snowflake
算法模式,可以切换使用。
先导入源码 https://github.com/Meituan-Dianping/Leaf ,再建一张表leaf_alloc
DROP TABLE IF EXISTS `leaf_alloc`;
CREATE TABLE `leaf_alloc` (
`biz_tag` varchar(128) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '业务key',
`max_id` bigint(20) NOT NULL DEFAULT '1' COMMENT '当前已经分配了的最大id',
`step` int(11) NOT NULL COMMENT '初始步长,也是动态调整的最小步长',
`description` varchar(256) DEFAULT NULL COMMENT '业务key的描述',
`update_time` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '数据库维护的更新时间',
PRIMARY KEY (`biz_tag`)
) ENGINE=InnoDB;
然后在项目中开启号段模式
,配置对应的数据库信息,并关闭snowflake
模式
leaf.name=com.sankuai.leaf.opensource.test
leaf.segment.enable=true
leaf.jdbc.url=jdbc:mysql://localhost:3306/leaf_test?useUnicode=true&characterEncoding=utf8&characterSetResults=utf8
leaf.jdbc.username=root
leaf.jdbc.password=root
leaf.snowflake.enable=false
#leaf.snowflake.zk.address=
#leaf.snowflake.port=
启动leaf-server
模块的 LeafServerApplication
项目就跑起来了
号段模式获取分布式自增ID的测试url:http://localhost:8080/api/segment/get/leaf-segment-test
监控号段模式:http://localhost:8080/cache
Leaf
的snowflake模式依赖于ZooKeeper
,不同于原始snowflake
算法,主要是在workId
的生成上,Leaf
中workId
是基于ZooKeeper
的顺序Id来生成的,每个应用在使用Leaf-snowflake
时,启动时都会都在Zookeeper
中生成一个顺序Id,相当于一台机器对应一个顺序节点,也就是一个workId
。
leaf.snowflake.enable=true
leaf.snowflake.zk.address=127.0.0.1
leaf.snowflake.port=2181
snowflake模式获取分布式自增ID的测试url:http://localhost:8080/api/snowflake/get/test
Tinyid
由滴滴开发,Github地址:https://github.com/didi/tinyid。
Tinyid
是基于号段模式原理实现的与Leaf
如出一辙,每个服务获取一个号段(1000,2000]、(2000,3000]、(3000,4000]
Tinyid
提供http
和tinyid-client
两种方式接入
(1)导入Tinyid源码:
git clone https://github.com/didi/tinyid.git
(2)创建数据表:
CREATE TABLE `tiny_id_info` (
`id` bigint(20) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '自增主键',
`biz_type` varchar(63) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '业务类型,唯一',
`begin_id` bigint(20) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '开始id,仅记录初始值,无其他含义。初始化时begin_id和max_id应相同',
`max_id` bigint(20) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '当前最大id',
`step` int(11) DEFAULT '0' COMMENT '步长',
`delta` int(11) NOT NULL DEFAULT '1' COMMENT '每次id增量',
`remainder` int(11) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '余数',
`create_time` timestamp NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '创建时间',
`update_time` timestamp NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '更新时间',
`version` bigint(20) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '版本号',
PRIMARY KEY (`id`),
UNIQUE KEY `uniq_biz_type` (`biz_type`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1 DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT 'id信息表';
CREATE TABLE `tiny_id_token` (
`id` int(11) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '自增id',
`token` varchar(255) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT 'token',
`biz_type` varchar(63) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '此token可访问的业务类型标识',
`remark` varchar(255) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '备注',
`create_time` timestamp NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '创建时间',
`update_time` timestamp NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '更新时间',
PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1 DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT 'token信息表';
INSERT INTO `tiny_id_info` (`id`, `biz_type`, `begin_id`, `max_id`, `step`, `delta`, `remainder`, `create_time`, `update_time`, `version`)
VALUES
(1, 'test', 1, 1, 100000, 1, 0, '2018-07-21 23:52:58', '2018-07-22 23:19:27', 1);
INSERT INTO `tiny_id_info` (`id`, `biz_type`, `begin_id`, `max_id`, `step`, `delta`, `remainder`, `create_time`, `update_time`, `version`)
VALUES
(2, 'test_odd', 1, 1, 100000, 2, 1, '2018-07-21 23:52:58', '2018-07-23 00:39:24', 3);
INSERT INTO `tiny_id_token` (`id`, `token`, `biz_type`, `remark`, `create_time`, `update_time`)
VALUES
(1, '0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c', 'test', '1', '2017-12-14 16:36:46', '2017-12-14 16:36:48');
INSERT INTO `tiny_id_token` (`id`, `token`, `biz_type`, `remark`, `create_time`, `update_time`)
VALUES
(2, '0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c', 'test_odd', '1', '2017-12-14 16:36:46', '2017-12-14 16:36:48');
(3)配置数据库:
datasource.tinyid.names=primary
datasource.tinyid.primary.driver-class-name=com.mysql.jdbc.Driver
datasource.tinyid.primary.url=jdbc:mysql://ip:port/databaseName?autoReconnect=true&useUnicode=true&characterEncoding=UTF-8
datasource.tinyid.primary.username=root
datasource.tinyid.primary.password=123456
(4)启动tinyid-server
后测试
获取分布式自增ID: http://localhost:9999/tinyid/id/nextIdSimple?bizType=test&token=0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c'
返回结果: 3
批量获取分布式自增ID: http://localhost:9999/tinyid/id/nextIdSimple?bizType=test&token=0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c&batchSize=10'
返回结果: 4,5,6,7,8,9,10,11,12,13
重复Http方式的(2)(3)操作
引入依赖
<dependency>
<groupId>com.xiaoju.uemc.tinyid</groupId>
<artifactId>tinyid-client</artifactId>
<version>${tinyid.version}</version>
</dependency>
配置文件
tinyid.server =localhost:9999
tinyid.token =0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c
test
、tinyid.token
是在数据库表中预先插入的数据,test
是具体业务类型,tinyid.token
表示可访问的业务类型
// 获取单个分布式自增ID
Long id = TinyId.nextId("test");
// 按需批量分布式自增ID
List< Long > ids = TinyId.nextId("test" , 10);
本文只是简单介绍一下每种分布式ID生成器,旨在给大家一个详细学习的方向,每种生成方式都有它自己的优缺点,具体如何使用还要看具体的业务需求。
版权说明 : 本文为转载文章, 版权归原作者所有 版权申明
原文链接 : https://thinkwon.blog.csdn.net/article/details/123932818
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