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如果再有人问你分布式ID,这篇文章丢给他!

1.背景

在我们的业务需求中通常有需要一些唯一的 ID,来记录我们某个数据的标识:
  • 某个用户的 ID
  • 某个订单的单号
  • 某个信息的 ID
通常我们会调研各种各样的生成策略,根据不同的业务,采取最合适的策略,下面我会讨论一下各种策略/算法,以及他们的一些优劣点。

2.UUID

UUID 是通用唯一识别码(Universally Unique Identifier)的缩写,开放软件基金会(OSF)规范定义了包括网卡 MAC 地址、时间戳、名字空间(Namespace)、随机或伪随机数、时序等元素。利用这些元素来生成 UUID。
UUID 是由 128 位二进制组成,一般转换成十六进制,然后用 String 表示。在 java 中有个 UUID 类,在他的注释中我们看见这里有 4 种不同的 UUID 的生成策略:
  • randomly: 基于随机数生成 UUID,由于 Java 中的随机数是伪随机数,其重复的概率是可以被计算出来的。这个一般我们用下面的代码获取基于随机数的 UUID:
  • time-based:基于时间的 UUID,这个一般是通过当前时间,随机数,和本地 Mac 地址来计算出来,自带的 JDK 包并没有这个算法的我们在一些 UUIDUtil 中,比如我们的 log4j.core.util,会重新定义 UUID 的高位和低位。
  • DCE security:DCE 安全的 UUID。
  • name-based:基于名字的 UUID,通过计算名字和名字空间的 MD5 来计算 UUID。
UUID 的优点:
  • 通过本地生成,没有经过网络 I/O,性能较快
  • 无序,无法预测他的生成顺序。(当然这个也是他的缺点之一)
UUID 的缺点:
  • 128 位二进制一般转换成 36 位的 16 进制,太长了只能用 String 存储,空间占用较多。
  • 不能生成递增有序的数字
适用场景:UUID 的适用场景可以为不担心过多的空间占用,以及不需要生成有递增趋势的数字。在 Log4j 里面他在 UuidPatternConverter 中加入了 UUID 来标识每一条日志。

3.数据库主键自增

大家对于唯一标识最容易想到的就是主键自增,这个也是我们最常用的方法。例如我们有个订单服务,那么把订单 id 设置为主键自增即可。
优点:
  • 简单方便,有序递增,方便排序和分页
缺点:
  • 分库分表会带来问题,需要进行改造。
  • 并发性能不高,受限于数据库的性能。
  • 简单递增容易被其他人猜测利用,比如你有一个用户服务用的递增,那么其他人可以根据分析注册的用户 ID 来得到当天你的服务有多少人注册,从而就能猜测出你这个服务当前的一个大概状况。
  • 数据库宕机服务不可用。
适用场景:
根据上面可以总结出来,当数据量不多,并发性能不高的时候这个很适合,比如一些 to B 的业务,商家注册这些,商家注册和用户注册不是一个数量级的,所以可以数据库主键递增。如果对顺序递增强依赖,那么也可以使用数据库主键自增。

4.Redis

熟悉 Redis 的同学,应该知道在 Redis 中有两个命令 Incr,IncrBy,因为 Redis 是单线程的所以能保证原子性。
优点:
  • 性能比数据库好,能满足有序递增。
缺点:
  • 由于 redis 是内存的 KV 数据库,即使有 AOF 和 RDB,但是依然会存在数据丢失,有可能会造成 ID 重复。
  • 依赖于 redis,redis 要是不稳定,会影响 ID 生成。
适用:由于其性能比数据库好,但是有可能会出现 ID 重复和不稳定,这一块如果可以接受那么就可以使用。也适用于到了某个时间,比如每天都刷新 ID,那么这个 ID 就需要重置,通过(Incr Today),每天都会从 0 开始加。

5.Zookeeper

利用 ZK 的 Znode 数据版本如下面的代码,每次都不获取期望版本号也就是每次都会成功,那么每次都会返回最新的版本号:
Zookeeper 这个方案用得较少,严重依赖 Zookeeper 集群,并且性能不是很高,所以不予推荐。

6.数据库分段+服务缓存 ID

这个方法在美团的 Leaf 中有介绍,详情可以参考美团技术团队的发布的技术文章:Leaf——美团点评分布式 ID 生成系统,这个方案是将数据库主键自增进行优化。
biz_tag 代表每个不同的业务,max_id 代表每个业务设置的大小,step 代表每个 proxyServer 缓存的步长。
之前我们的每个服务都访问的是数据库,现在不需要,每个服务直接和我们的 ProxyServer 做交互,减少了对数据库的依赖。我们的每个 ProxyServer 回去数据库中拿出步长的长度,比如 server1 拿到了 1-1000,server2 拿到来 1001-2000。如果用完会再次去数据库中拿。
优点:
  • 比主键递增性能高,能保证趋势递增。
  • 如果 DB 宕机,proxServer 由于有缓存依然可以坚持一段时间。
缺点:
  • 和主键递增一样,容易被人猜测。
  • DB 宕机,虽然能支撑一段时间但是仍然会造成系统不可用。
适用场景:需要趋势递增,并且 ID 大小可控制的,可以使用这套方案。
当然这个方案也可以通过一些手段避免被人猜测,把 ID 变成是无序的,比如把我们生成的数据是一个递增的 long 型,把这个 Long 分成几个部分,比如可以分成几组三位数,几组四位数,然后在建立一个映射表,将我们的数据变成无序。

7.雪花算法-Snowflake

Snowflake 是 Twitter 提出来的一个算法,其目的是生成一个 64bit 的整数:
  • 1bit:一般是符号位,不做处理
  • 41bit:用来记录时间戳,这里可以记录 69 年,如果设置好起始时间比如今年是 2018 年,那么可以用到 2089 年,到时候怎么办?要是这个系统能用 69 年,我相信这个系统早都重构了好多次了。
  • 10bit:10bit 用来记录机器 ID,总共可以记录 1024 台机器,一般用前 5 位代表数据中心,后面 5 位是某个数据中心的机器 ID
  • 12bit:循环位,用来对同一个毫秒之内产生不同的 ID,12 位可以最多记录 4095 个,也就是在同一个机器同一毫秒最多记录 4095 个,多余的需要进行等待下毫秒。
上面只是一个将 64bit 划分的标准,当然也不一定这么做,可以根据不同业务的具体场景来划分,比如下面给出一个业务场景:
  • 服务目前 QPS10 万,预计几年之内会发展到百万。
  • 当前机器三地部署,上海,北京,深圳都有。
  • 当前机器 10 台左右,预计未来会增加至百台。
这个时候我们根据上面的场景可以再次合理的划分 62bit,QPS 几年之内会发展到百万,那么每毫秒就是千级的请求,目前 10 台机器那么每台机器承担百级的请求,为了保证扩展,后面的循环位可以限制到 1024,也就是 2^10,那么循环位 10 位就足够了。
机器三地部署我们可以用 3bit 总共 8 来表示机房位置,当前的机器 10 台,为了保证扩展到百台那么可以用 7bit 128 来表示,时间位依然是 41bit,那么还剩下 64-10-3-7-41-1 = 2bit,还剩下 2bit 可以用来进行扩展。
适用场景:当我们需要无序不能被猜测的 ID,并且需要一定高性能,且需要 long 型,那么就可以使用我们雪花算法。比如常见的订单 ID,用雪花算法别人就发猜测你每天的订单量是多少。

7.1 一个简单的 Snowflake

public class IdWorker{

    private long workerId;
    private long datacenterId;
    private long sequence = 0;
    /**
     * 2018/9/29 日,从此时开始计算,可以用到 2089 年
     */
    private long twepoch = 1538211907857L;

    private long workerIdBits = 5L;
    private long datacenterIdBits = 5L;
    private long sequenceBits = 12L;

    private long workerIdShift = sequenceBits;
    private long datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;
    private long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits;
    // 得到 0000000000000000000000000000000000000000000000000000111111111111
    private long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);

    private long lastTimestamp = -1L;


    public IdWorker(long workerId, long datacenterId){
        this.workerId = workerId;
        this.datacenterId = datacenterId;
    }
    public synchronized long nextId() {
        long timestamp = timeGen();
        //时间回拨,抛出异常
        if (timestamp < lastTimestamp) {
            System.err.printf(“clock is moving backwards.  Rejecting requests until %d.”, lastTimestamp);
            throw new RuntimeException(String.format(“Clock moved backwards.  Refusing to generate id for %d milliseconds”,
                    lastTimestamp – timestamp));
        }

        if (lastTimestamp == timestamp) {
            sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;
            if (sequence == 0) {
                timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp);
            }
        } else {
            sequence = 0;
        }

        lastTimestamp = timestamp;
        return ((timestamp – twepoch) << timestampLeftShift) |
                (datacenterId << datacenterIdShift) |
                (workerId << workerIdShift) |
                sequence;
    }

    /**
     * 当前 ms 已经满了
     * @param lastTimestamp
     * @return
     */
    private long tilNextMillis(long lastTimestamp) {
        long timestamp = timeGen();
        while (timestamp <= lastTimestamp) {
            timestamp = timeGen();
        }
        return timestamp;
    }

    private long timeGen(){
        return System.currentTimeMillis();
    }

    public static void main(String[] args) {
        IdWorker worker = new IdWorker(1,1);
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            System.out.println(worker.nextId());
        }
    }

}
上面定义了雪花算法的实现,在 nextId 中是我们生成雪花算法的关键。

7.2 防止时钟回拨

因为机器的原因会发生时间回拨,我们的雪花算法是强依赖我们的时间的,如果时间发生回拨,有可能会生成重复的 ID,在我们上面的 nextId 中我们用当前时间和上一次的时间进行判断,如果当前时间小于上一次的时间那么肯定是发生了回拨,普通的算法会直接抛出异常,这里我们可以对其进行优化,一般分为两个情况:
  • 如果时间回拨时间较短,比如配置 5ms 以内,那么可以直接等待一定的时间,让机器的时间追上来。
  • 如果时间的回拨时间较长,我们不能接受这么长的阻塞等待,那么又有两个策略:
  1. 直接拒绝,抛出异常,打日志,通知 RD 时钟回滚。
  2. 利用扩展位,上面我们讨论过不同业务场景位数可能用不到那么多,那么我们可以把扩展位数利用起来了,比如当这个时间回拨比较长的时候,我们可以不需要等待,直接在扩展位加 1。2 位的扩展位允许我们有 3 次大的时钟回拨,一般来说就够了,如果其超过三次我们还是选择抛出异常,打日志。
通过上面的几种策略可以比较的防护我们的时钟回拨,防止出现回拨之后大量的异常出现。下面是修改之后的代码,这里修改了时钟回拨的逻辑:

最后

本文分析了各种生产分布式ID 的算法的原理,以及他们的适用场景,相信你已经能为自己的项目选择好一个合适的分布式 ID 生成策略了。没有一个策略是完美的,只有适合自己的才是最好的。

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