业务ID常用生成方式
- 分布式ID产生原因
- 分布式ID的生成特性
- 分布式ID生成方式
- UUID
- 数据库自增ID
- 数据库多主模式
- 号段模式
- Redis
- 雪花算法(SnowFlake)
- 百度 (Uidgenerator)
- 滴滴出品(TinyID)
- 生成方式
- 分析
- 美团(Leaf)
- 号段模式
- snowflake模式
- 参考链接
分布式ID产生原因
- 业务量扩增
- 业务量很小时,采用单库单表支撑现有业务;
- 业务量较小时,采用主从同步读写分离;
- 业务量很大时,需要对数据库进行分库分表,此时需要有唯一ID来标识一条数据,如订单、优惠券都需要有唯一ID(分布式ID)来标识
分布式ID的生成特性
- 全局唯一
必须保证ID是全局性唯一 - 高可用低延时
ID生成响应要快,能够扛住高并发,延时足够低不至于成为业务瓶颈 - 数字类型趋势递增
从MySQL存储引擎考虑,后面的ID必须必前面的大,并需要保证写入数据的性能 - 长度短
能够提高查询效率,从MySQL数据库规范考虑,尤其是ID作为主键 - 信息安全
如果ID连续生成,会导致被猜出从而泄漏业务信息,所以需要无规则
分布式ID生成方式
UUID
- 简介
UUID具有全球唯一的特性,可以做分布式ID,但不推荐 - 生成方式
public static void main(String[] args) {
String uuid = UUID.randomUUID().toString().replaceAll("-", "");
System.out.println(uuid);
}
- 分析
UUID不适用于实际的业务需求,像用作订单号UUID这样的字符串没有丝毫意义,看不出和订单相关的有用信息;而对于数据库来说用作业务主键ID,它不仅太长而且还是字符串,存储性能差查询也很耗时 - 优点
生成简单,本地生成无网络消耗,具有全球唯一性 - 缺点
长度过长16 字节128位,36位长度的字符串,存储以及查询对MySQL的性能消耗较大,MySQL官方明确建议主键要尽量越短越好,作为数据库主键 UUID 的无序性会导致数据位置频繁变动,严重影响性能
数据库自增ID
- 简介
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 - 生成方式
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),
) ENGINE=MyISAM;
insert into SEQUENCE_ID(value) VALUES ('values');
- 分析
当需要一个ID的时候,向表中插入一条记录返回主键ID,但存在致命缺点,访问量激增时MySQL本身就是系统瓶颈,不推荐 - 优点
实现简单,ID单调自增,数值类型查询速度快 - 缺点
DB单点存在宕机风险,无法扛住高并发场景
数据库多主模式
- 简介
此方式是对上面数据库自增ID的高可用优化,采用主从模式集群。也就是两个MySQL实例都能单独生产自增ID
需要设置起始值和自增步长,避免生成重复ID - 生成方式
- 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
- 运行结果
两个MySQL实例的自增ID分别是:
1、3、5、7、9
2、4、6、8、10
- 分析
如果集群后的性能还是扛不住高并发,就要进行MySQL扩容增加节点
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
解决DB单点问题 - 缺点
不利于后续扩容,而且实际上单个数据库自身压力还是大,依旧无法满足高并发场景。
号段模式
- 简介
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。 - 生成方式
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,保证并发时数据的正确性
- 分析
该批号段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
获取分布式ID流程:
- 用户服务在注册一个用户时,需要一个用户ID;会请求生成ID服务(是独立的应用)的接口
- 生成ID的服务会去查询数据库,找到user_tag的id,现在的max_id为0,step=1000
- 生成ID的服务把max_id和step返回给用户服务,并且把max_id更新为max_id = max_id + step,即更新为1000
- 用户服务获得max_id=0,step=1000;
- 这个用户服务可以用[max_id + 1,max_id+step]区间的ID,即为[1,1000]
- 用户服务把这个区间保存到jvm中
- 用户服务需要用到ID的时候,在区间[1,1000]中依次获取id,可采用AtomicLong中的getAndIncrement方法。
- 如果把区间的值用完了,再去请求生产ID的服务的接口,获取到max_id为1000,即可以用[max_id + 1,max_id+step]区间的ID,即为[1001,2000]
- 优点
- 扩张灵活,性能强能够撑起大部分业务场景。
- ID号码是趋势递增的,满足数据库存储和查询性能要求。
- 可用性高,即使ID生成服务器不可用,也能够使得业务在短时间内可用,为排查问题争取时间。
- 可以自定义max_id的大小,方便业务迁移,方便机器横向扩张。
- 缺点
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
- ID号码不够随机,完整的顺序递增可能带来安全问题。
- DB宕机可能导致整个系统不可用,仍然存在这种风险,因为号段只能撑一段时间。
- 可能存在分布式环境各节点同一时间争抢分配ID号段的情况,这可能导致并发问题而出现ID重复生成
Redis
- 简介
Redis也同样可以实现,原理就是利用redis的 incr命令实现ID的原子性自增 - 生成方式
set seq_id 1 // 初始化自增ID为1
incr seq_id // 增加1,并返回递增后的数值
- 分析
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。
- 优点
有序递增,可读性强。
能够满足一定性能。 - 缺点
强依赖于Redis,可能存在单点问题。
占用宽带,而且需要考虑网络延时等问题带来地性能冲击。
雪花算法(SnowFlake)
- 简介
雪花算法(Snowflake)是twitter公司内部分布式项目采用的ID生成算法 - 生成方式
/**
* Twitter的SnowFlake算法,使用SnowFlake算法生成一个整数,然后转化为62进制变成一个短地址URL
*
* https:///beyondfengyu/SnowFlake
*/
public class SnowFlakeShortUrl {
/**
* 起始的时间戳
*/
private final static long START_TIMESTAMP = 1480166465631L;
/**
* 每一部分占用的位数
*/
private final static long SEQUENCE_BIT = 12; //序列号占用的位数
private final static long MACHINE_BIT = 5; //机器标识占用的位数
private final static long DATA_CENTER_BIT = 5; //数据中心占用的位数
/**
* 每一部分的最大值
*/
private final static long MAX_SEQUENCE = -1L ^ (-1L << SEQUENCE_BIT);
private final static long MAX_MACHINE_NUM = -1L ^ (-1L << MACHINE_BIT);
private final static long MAX_DATA_CENTER_NUM = -1L ^ (-1L << DATA_CENTER_BIT);
/**
* 每一部分向左的位移
*/
private final static long MACHINE_LEFT = SEQUENCE_BIT;
private final static long DATA_CENTER_LEFT = SEQUENCE_BIT + MACHINE_BIT;
private final static long TIMESTAMP_LEFT = DATA_CENTER_LEFT + DATA_CENTER_BIT;
private long dataCenterId; //数据中心
private long machineId; //机器标识
private long sequence = 0L; //序列号
private long lastTimeStamp = -1L; //上一次时间戳
private long getNextMill() {
long mill = getNewTimeStamp();
while (mill <= lastTimeStamp) {
mill = getNewTimeStamp();
}
return mill;
}
private long getNewTimeStamp() {
return System.currentTimeMillis();
}
/**
* 根据指定的数据中心ID和机器标志ID生成指定的序列号
*
* @param dataCenterId 数据中心ID
* @param machineId 机器标志ID
*/
public SnowFlakeShortUrl(long dataCenterId, long machineId) {
if (dataCenterId > MAX_DATA_CENTER_NUM || dataCenterId < 0) {
throw new IllegalArgumentException("DtaCenterId can't be greater than MAX_DATA_CENTER_NUM or less than 0!");
}
if (machineId > MAX_MACHINE_NUM || machineId < 0) {
throw new IllegalArgumentException("MachineId can't be greater than MAX_MACHINE_NUM or less than 0!");
}
this.dataCenterId = dataCenterId;
this.machineId = machineId;
}
/**
* 产生下一个ID
*
* @return
*/
public synchronized long nextId() {
long currTimeStamp = getNewTimeStamp();
if (currTimeStamp < lastTimeStamp) {
throw new RuntimeException("Clock moved backwards. Refusing to generate id");
}
if (currTimeStamp == 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) {
currTimeStamp = getNextMill();
}
} else {
//不同毫秒内,序列号置为0
sequence = 0L;
}
lastTimeStamp = currTimeStamp;
return (currTimeStamp - START_TIMESTAMP) << TIMESTAMP_LEFT //时间戳部分
| dataCenterId << DATA_CENTER_LEFT //数据中心部分
| machineId << MACHINE_LEFT //机器标识部分
| sequence; //序列号部分
}
public static void main(String[] args) {
SnowFlakeShortUrl snowFlake = new SnowFlakeShortUrl(2, 3);
/**
* 小知识点:
* 1 << 4 指将数字1左移4位
*
* 1. 首先将1转换为二进制0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001(1个字节8个bit位)
* 2. 然后把该数字高位(左侧)的4个零移出,其他的数字都朝左平移4位,最后在低位(右侧)的4个空位补零
* 3. 则得到的最终结果是0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0000,则转换为十进制是16
**/
for (int i = 0; i < (1 << 4); i++) {
//10进制
System.out.println(snowFlake.nextId());
}
}
}
- 分析
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。
- 第一个bit位(1bit):Java中long的最高位是符号位代表正负,正数是0,负数是1,一般生成ID都为正数,所以默认为0。
- 时间戳部分(41bit):毫秒级的时间,不建议存当前时间戳,而是用(当前时间戳 - 固定开始时间戳)的差值,可以使产生的ID从更小的值开始;41位的时间戳可以使用69年,(1L << 41) / (1000L * 60 * 60 * 24 * 365) = 69年
- 工作机器id(10bit):也被叫做workId,这个可以灵活配置,机房或者机器号组合都可以。
- 序列号部分(12bit),自增值支持同一毫秒内同一个节点可以生成4096个ID
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。理论上Snowflake算法方案的QPS大约为409.6w/s
- 优点
- 每秒能够生成百万个不同的ID,性能佳。
- 时间戳值在高位,中间是固定的机器码,自增的序列在低位,整个ID是趋势递增的。
- 能够根据业务场景数据库节点布置灵活挑战bit位划分,灵活度高
- 缺点
强依赖于机器时钟,如果时钟回拨,会导致重复的ID生成,所以一般基于此的算法发现时钟回拨,都会抛异常处理,阻止ID生成,这可能导致服务不可用
百度 (Uidgenerator)
- 简介
uid-generator是由百度技术部开发,项目GitHub地址 https:///baidu/uid-generator - 生成方式
https:///baidu/uid-generator/blob/master/README.zh_cn.md - 分析
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。
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
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
滴滴出品(TinyID)
- 简介
Tinyid由滴滴开发,Github地址:https:///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]
生成方式
- Http方式
- 导入TInyid源码
git clone https:///didi/tinyid.git
- 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');
- 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
- 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
- tinyid-client(Java客户端)
- 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
- 测试方式
// 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);
分析
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]
美团(Leaf)
- 简介
Leaf由美团开发,github地址:https:///Meituan-Dianping/Leaf
Leaf同时支持号段模式和snowflake算法模式,可以切换使用
号段模式
- 生成方式
- 先导入源码 https:///Meituan-Dianping/Leaf
- 在建一张表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
=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
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
- 分析
美团技术团队Leaf-segment对此做了优化,将获取一个号段的方式优化成获取两个号段,在一个号段用完之后不用立马去更新号段,还有一个缓存号段备用,这样能够有效解决这种冲突问题,而且采用双buffer的方式,在当前号段消耗了10%的时候就去检查下一个号段有没有准备好,如果没有准备好就去更新下一个号段,当当前号段用完了就切换到下一个已经缓存好的号段去使用,同时在下一个号段消耗到10%的时候,又去检测下一个号段有没有准备好,如此往复。
- 当前获取ID在buffer1中,每次获取ID在buffer1中获取
- 当buffer1中的Id已经使用到了100,也就是达到区间的10%
- 达到了10%,先判断buffer2中有没有去获取过,如果没有就立即发起请求获取ID线程,此线程把获取到的ID,设置到buffer2中。
- 如果buffer1用完了,会自动切换到buffer2
- buffer2用到10%了,也会启动线程再次获取,设置到buffer1中
- 依次往返
- 优点
- 基本的数据库问题都解决了,而且行之有效。
- 基于JVM存储双buffer的号段,减少了数据库查询,减少了网络依赖,效率更高。
- 缺点
- segment号段长度是固定的,业务量大时可能会频繁更新号段,因为原本分配的号段会一下子用完。
- 如果号段长度设置的过长,但凡缓存中有号段没有消耗完,其他节点重新获取的号段与之前相比可能跨度会很大。
- 其他
针对上面的缺点,美团有重新提出动态调整号段长度的方案
假设服务QPS为Q,号段长度为L,号段更新周期为T,那么Q * T = L。最开始L长度是固定的,导致随着Q的增长,T会越来越小。但是本方案本质的需求是希望T是固定的。那么如果L可以和Q正相关的话,T就可以趋近一个定值了。所以本方案每次更新号段的时候,会根据上一次更新号段的周期T和号段长度step,来决定下一次的号段长度nextStep,下面是一个简单的算法,意在说明动态更新的意思:
T < 15min,nextStep = step * 2
15min < T < 30min,nextStep = step
T > 30min,nextStep = step / 2
snowflake模式
- 生成方式
- 配置说明
Leaf的snowflake模式依赖于ZooKeeper,不同于原始snowflake算法也主要是在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。
- 配置
leaf.snowflake.enable=true
leaf.snowflake.zk.address=127.0.0.1
leaf.snowflake.port=2181
- 测试
snowflake模式获取分布式自增ID的测试url:http://localhost:8080/api/snowflake/get/test
参考链接