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一口氣說出 9種 分散式ID生成方式,面試官有點懵了

整理了一些Java方面的架構、面試資料(微服務、叢集、分散式、中介軟體等),有需要的小夥伴可以關注公眾號【程式設計師內點事】,無套路自行領取

本文作者:程式設計師內點事
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前兩天公眾號有個粉絲給我留言吐槽最近面試:“四哥,年前我在公司受點委屈一衝動就裸辭了,然後現在疫情嚴重兩個多月還沒找到工作,接了幾個視訊面試也都沒下文。好多面試官問完一個問題,緊接著說還會其他解決方法嗎?能幹活解決bug不就行了嗎?那還得會多少種方法?”

面試官應該是對應聘者的回答不太滿意,他想聽到一個他認為最優的解決方案,其實這無可厚非。同樣一個bug,能用一行程式碼解決問題的人和用十行程式碼解決問題的人,你會選哪個入職?顯而易見的事情!所以看待問題還是要從多個角度出發,每種方法都有各自的利弊。


一、為什麼要用分散式ID?

在說分散式ID的具體實現之前,我們來簡單分析一下為什麼用分散式ID?分散式ID應該滿足哪些特徵?

1、什麼是分散式ID?

拿MySQL資料庫舉個栗子:

在我們業務資料量不大的時候,單庫單表完全可以支撐現有業務,資料再大一點搞個MySQL主從同步讀寫分離也能對付。

但隨著資料日漸增長,主從同步也扛不住了,就需要對資料庫進行分庫分表,但分庫分表後需要有一個唯一ID來標識一條資料,資料庫的自增ID顯然不能滿足需求;特別一點的如訂單、優惠券也都需要有唯一ID

做標識。此時一個能夠生成全域性唯一ID的系統是非常必要的。那麼這個全域性唯一ID就叫分散式ID

2、那麼分散式ID需要滿足那些條件?
  • 全域性唯一:必須保證ID是全域性性唯一的,基本要求
  • 高效能:高可用低延時,ID生成響應要塊,否則反倒會成為業務瓶頸
  • 高可用:100%的可用性是騙人的,但是也要無限接近於100%的可用性
  • 好接入:要秉著拿來即用的設計原則,在系統設計和實現上要儘可能的簡單
  • 趨勢遞增:最好趨勢遞增,這個要求就得看具體業務場景了,一般不嚴格要求

二、 分散式ID都有哪些生成方式?

今天主要分析一下以下9種,分散式ID生成器方式以及優缺點:

  • UUID
  • 資料庫自增ID
  • 資料庫多主模式
  • 號段模式
  • Redis
  • 雪花演算法(SnowFlake)
  • 滴滴出品(TinyID)
  • 百度 (Uidgenerator)
  • 美團(Leaf)

那麼它們都是如何實現?以及各自有什麼優缺點?我們往下看

以上圖片源自網路,如有侵權聯絡刪除

1、基於UUID

在Java的世界裡,想要得到一個具有唯一性的ID,首先被想到可能就是UUID,畢竟它有著全球唯一的特性。那麼UUID可以做分散式ID嗎?答案是可以的,但是並不推薦!

public static void main(String[] args) { 
       String uuid = UUID.randomUUID().toString().replaceAll("-","");
       System.out.println(uuid);
 }

UUID的生成簡單到只有一行程式碼,輸出結果 c2b8c2b9e46c47e3b30dca3b0d447718,但UUID卻並不適用於實際的業務需求。像用作訂單號UUID這樣的字串沒有絲毫的意義,看不出和訂單相關的有用資訊;而對於資料庫來說用作業務主鍵ID,它不僅是太長還是字串,儲存效能差查詢也很耗時,所以不推薦用作分散式ID

優點:

  • 生成足夠簡單,本地生成無網路消耗,具有唯一性

缺點:

  • 無序的字串,不具備趨勢自增特性
  • 沒有具體的業務含義
  • 長度過長16 位元組128位,36位長度的字串,儲存以及查詢對MySQL的效能消耗較大,MySQL官方明確建議主鍵要儘量越短越好,作為資料庫主鍵 UUID 的無序性會導致資料位置頻繁變動,嚴重影響效能。
2、基於資料庫自增ID

基於資料庫的auto_increment自增ID完全可以充當分散式ID,具體實現:需要一個單獨的MySQL例項用來生成ID,建表結構如下:

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),
) ENGINE=MyISAM;
insert into SEQUENCE_ID(value)  VALUES ('values');

當我們需要一個ID的時候,向表中插入一條記錄返回主鍵ID,但這種方式有一個比較致命的缺點,訪問量激增時MySQL本身就是系統的瓶頸,用它來實現分散式服務風險比較大,不推薦!

優點:

  • 實現簡單,ID單調自增,數值型別查詢速度快

缺點:

  • DB單點存在宕機風險,無法扛住高併發場景
3、基於資料庫叢集模式

前邊說了單點資料庫方式不可取,那對上邊的方式做一些高可用優化,換成主從模式叢集。害怕一個主節點掛掉沒法用,那就做雙主模式叢集,也就是兩個Mysql例項都能單獨的生產自增ID。

那這樣還會有個問題,兩個MySQL例項的自增ID都從1開始,會生成重複的ID怎麼辦?

解決方案:設定起始值自增步長

MySQL_1 配置:

set @@auto_increment_offset = 1;     -- 起始值
set @@auto_increment_increment = 2;  -- 步長

MySQL_2 配置:

set @@auto_increment_offset = 2;     -- 起始值
set @@auto_increment_increment = 2;  -- 步長

這樣兩個MySQL例項的自增ID分別就是:

1、3、5、7、9
2、4、6、8、10

那如果集群后的效能還是扛不住高併發咋辦?就要進行MySQL擴容增加節點,這是一個比較麻煩的事。


從上圖可以看出,水平擴充套件的資料庫叢集,有利於解決資料庫單點壓力的問題,同時為了ID生成特性,將自增步長按照機器數量來設定。

增加第三臺MySQL例項需要人工修改一、二兩臺MySQL例項的起始值和步長,把第三臺機器的ID起始生成位置設定在比現有最大自增ID的位置遠一些,但必須在一、二兩臺MySQL例項ID還沒有增長到第三臺MySQL例項起始ID值的時候,否則自增ID就要出現重複了,必要時可能還需要停機修改。

優點:

  • 解決DB單點問題

缺點:

  • 不利於後續擴容,而且實際上單個數據庫自身壓力還是大,依舊無法滿足高併發場景。
4、基於資料庫的號段模式

號段模式是當下分散式ID生成器的主流實現方式之一,號段模式可以理解為從資料庫批量的獲取自增ID,每次從資料庫取出一個號段範圍,例如 (1,1000] 代表1000個ID,具體的業務服務將本號段,生成1~1000的自增ID並載入到記憶體。表結構如下:

CREATE TABLE id_generator (
  id int(10) NOT NULL,
  max_id bigint(20) NOT NULL COMMENT '當前最大id',
  step int(20) NOT NULL COMMENT '號段的布長',
  biz_type  int(20) NOT NULL COMMENT '業務型別',
  version int(20) NOT NULL COMMENT '版本號',
  PRIMARY KEY (`id`)
) 

biz_type :代表不同業務型別

max_id :當前最大的可用id

step :代表號段的長度

version :是一個樂觀鎖,每次都更新version,保證併發時資料的正確性

id biz_type max_id step version
1 101 1000 2000 0

等這批號段ID用完,再次向資料庫申請新號段,對max_id欄位做一次update操作,update max_id= max_id + step,update成功則說明新號段獲取成功,新的號段範圍是(max_id ,max_id +step]

update id_generator set max_id = #{max_id+step}, version = version + 1 where version = # {version} and biz_type = XXX

由於多業務端可能同時操作,所以採用版本號version樂觀鎖方式更新,這種分散式ID生成方式不強依賴於資料庫,不會頻繁的訪問資料庫,對資料庫的壓力小很多。

5、基於Redis模式

Redis也同樣可以實現,原理就是利用redisincr命令實現ID的原子性自增。

127.0.0.1:6379> set seq_id 1     // 初始化自增ID為1
OK
127.0.0.1:6379> incr seq_id      // 增加1,並返回遞增後的數值
(integer) 2

redis實現需要注意一點,要考慮到redis持久化的問題。redis有兩種持久化方式RDBAOF

  • RDB會定時打一個快照進行持久化,假如連續自增但redis沒及時持久化,而這會Redis掛掉了,重啟Redis後會出現ID重複的情況。

  • AOF會對每條寫命令進行持久化,即使Redis掛掉了也不會出現ID重複的情況,但由於incr命令的特殊性,會導致Redis重啟恢復的資料時間過長。

6、基於雪花演算法(Snowflake)模式

雪花演算法(Snowflake)是twitter公司內部分散式專案採用的ID生成演算法,開源後廣受國內大廠的好評,在該演算法影響下各大公司相繼開發出各具特色的分散式生成器。

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Snowflake生成的是Long型別的ID,一個Long型別佔8個位元組,每個位元組佔8位元,也就是說一個Long型別佔64個位元。

Snowflake ID組成結構:正數位(佔1位元)+ 時間戳(佔41位元)+ 機器ID(佔5位元)+ 資料中心(佔5位元)+ 自增值(佔12位元),總共64位元組成的一個Long型別。

  • 第一個bit位(1bit):Java中long的最高位是符號位代表正負,正數是0,負數是1,一般生成ID都為正數,所以預設為0。
  • 時間戳部分(41bit):毫秒級的時間,不建議存當前時間戳,而是用(當前時間戳 - 固定開始時間戳)的差值,可以使產生的ID從更小的值開始;41位的時間戳可以使用69年,(1L << 41) / (1000L * 60 * 60 * 24 * 365) = 69年
  • 工作機器id(10bit):也被叫做workId,這個可以靈活配置,機房或者機器號組合都可以。
  • 序列號部分(12bit),自增值支援同一毫秒內同一個節點可以生成4096個ID

根據這個演算法的邏輯,只需要將這個演算法用Java語言實現出來,封裝為一個工具方法,那麼各個業務應用可以直接使用該工具方法來獲取分散式ID,只需保證每個業務應用有自己的工作機器id即可,而不需要單獨去搭建一個獲取分散式ID的應用。

Java版本的Snowflake演算法實現:


/**
 * Twitter的SnowFlake演算法,使用SnowFlake演算法生成一個整數,然後轉化為62進制變成一個短地址URL
 *
 * https://github.com/beyondfengyu/SnowFlake
 */
public class SnowFlakeShortUrl {

    /**
     * 起始的時間戳
     */
    private final static long START_TIMESTAMP = 1480166465631L;

    /**
     * 每一部分佔用的位數
     */
    private final static long SEQUENCE_BIT = 12;   //序列號佔用的位數
    private final static long MACHINE_BIT = 5;     //機器標識佔用的位數
    private final static long DATA_CENTER_BIT = 5; //資料中心佔用的位數

    /**
     * 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;  //資料中心
    private long machineId;     //機器標識
    private long sequence = 0L; //序列號
    private long lastTimeStamp = -1L;  //上一次時間戳

    private long getNextMill() {
        long mill = getNewTimeStamp();
        while (mill <= lastTimeStamp) {
            mill = getNewTimeStamp();
        }
        return mill;
    }

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

    /**
     * 根據指定的資料中心ID和機器標誌ID生成指定的序列號
     *
     * @param dataCenterId 資料中心ID
     * @param machineId    機器標誌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;
    }

    /**
     * 產生下一個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) {
            //相同毫秒內,序列號自增
            sequence = (sequence + 1) & MAX_SEQUENCE;
            //同一毫秒的序列數已經達到最大
            if (sequence == 0L) {
                currTimeStamp = getNextMill();
            }
        } else {
            //不同毫秒內,序列號置為0
            sequence = 0L;
        }

        lastTimeStamp = currTimeStamp;

        return (currTimeStamp - START_TIMESTAMP) << TIMESTAMP_LEFT //時間戳部分
                | dataCenterId << DATA_CENTER_LEFT       //資料中心部分
                | machineId << MACHINE_LEFT             //機器標識部分
                | sequence;                             //序列號部分
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        SnowFlakeShortUrl snowFlake = new SnowFlakeShortUrl(2, 3);

        for (int i = 0; i < (1 << 4); i++) {
            //10進位制
            System.out.println(snowFlake.nextId());
        }
    }
}
7、百度(uid-generator)

uid-generator是由百度技術部開發,專案GitHub地址 https://github.com/baidu/uid-generator

uid-generator是基於Snowflake演算法實現的,與原始的snowflake演算法不同在於,uid-generator支援自定義時間戳工作機器ID序列號 等各部分的位數,而且uid-generator中採用使用者自定義workId的生成策略。

uid-generator需要與資料庫配合使用,需要新增一個WORKER_NODE表。當應用啟動時會向資料庫表中去插入一條資料,插入成功後返回的自增ID就是該機器的workId資料由host,port組成。

對於uid-generator ID組成結構:

workId,佔用了22個bit位,時間佔用了28個bit位,序列化佔用了13個bit位,需要注意的是,和原始的snowflake不太一樣,時間的單位是秒,而不是毫秒,workId也不一樣,而且同一應用每次重啟就會消費一個workId

參考文獻
https://github.com/baidu/uid-generator/blob/master/README.zh_cn.md

8、美團(Leaf)

Leaf由美團開發,github地址:https://github.com/Meituan-Dianping/Leaf

Leaf同時支援號段模式和snowflake演算法模式,可以切換使用。

號段模式

先匯入原始碼 https://github.com/Meituan-Dianping/Leaf ,在建一張表leaf_alloc

DROP TABLE IF EXISTS `leaf_alloc`;

CREATE TABLE `leaf_alloc` (
  `biz_tag` varchar(128)  NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '業務key',
  `max_id` bigint(20) NOT NULL DEFAULT '1' COMMENT '當前已經分配了的最大id',
  `step` int(11) NOT NULL COMMENT '初始步長,也是動態調整的最小步長',
  `description` varchar(256)  DEFAULT NULL COMMENT '業務key的描述',
  `update_time` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '資料庫維護的更新時間',
  PRIMARY KEY (`biz_tag`)
) ENGINE=InnoDB;

然後在專案中開啟號段模式,配置對應的資料庫資訊,並關閉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=

啟動leaf-server 模組的 LeafServerApplication專案就跑起來了

號段模式獲取分散式自增ID的測試url :http://localhost:8080/api/segment/get/leaf-segment-test

監控號段模式:http://localhost:8080/cache

snowflake模式

Leaf的snowflake模式依賴於ZooKeeper,不同於原始snowflake演算法也主要是在workId的生成上,LeafworkId是基於ZooKeeper的順序Id來生成的,每個應用在使用Leaf-snowflake時,啟動時都會都在Zookeeper中生成一個順序Id,相當於一臺機器對應一個順序節點,也就是一個workId

leaf.snowflake.enable=true
leaf.snowflake.zk.address=127.0.0.1
leaf.snowflake.port=2181

snowflake模式獲取分散式自增ID的測試url:http://localhost:8080/api/snowflake/get/test

9、滴滴(Tinyid)

Tinyid由滴滴開發,Github地址:https://github.com/didi/tinyid。

Tinyid是基於號段模式原理實現的與Leaf如出一轍,每個服務獲取一個號段(1000,2000]、(2000,3000]、(3000,4000]
Tinyid提供httptinyid-client兩種方式接入

Http方式接入

(1)匯入Tinyid原始碼:

git clone https://github.com/didi/tinyid.git

(2)建立資料表:

CREATE TABLE `tiny_id_info` (
  `id` bigint(20) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '自增主鍵',
  `biz_type` varchar(63) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '業務型別,唯一',
  `begin_id` bigint(20) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '開始id,僅記錄初始值,無其他含義。初始化時begin_id和max_id應相同',
  `max_id` bigint(20) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '當前最大id',
  `step` int(11) DEFAULT '0' COMMENT '步長',
  `delta` int(11) NOT NULL DEFAULT '1' COMMENT '每次id增量',
  `remainder` int(11) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '餘數',
  `create_time` timestamp NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '建立時間',
  `update_time` timestamp NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '更新時間',
  `version` bigint(20) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '版本號',
  PRIMARY KEY (`id`),
  UNIQUE KEY `uniq_biz_type` (`biz_type`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1 DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT 'id資訊表';

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可訪問的業務型別標識',
  `remark` varchar(255) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '備註',
  `create_time` timestamp NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '建立時間',
  `update_time` timestamp NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '更新時間',
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1 DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT 'token資訊表';

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)配置資料庫:

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)啟動tinyid-server後測試

獲取分散式自增ID: http://localhost:9999/tinyid/id/nextIdSimple?bizType=test&token=0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c'
返回結果: 3

批量獲取分散式自增ID:
http://localhost:9999/tinyid/id/nextIdSimple?bizType=test&token=0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c&batchSize=10'
返回結果:  4,5,6,7,8,9,10,11,12,13
Java客戶端方式接入

重複Http方式的(2)(3)操作

引入依賴

       <dependency>
            <groupId>com.xiaoju.uemc.tinyid</groupId>
            <artifactId>tinyid-client</artifactId>
            <version>${tinyid.version}</version>
        </dependency>

配置檔案

tinyid.server =localhost:9999
tinyid.token =0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c

testtinyid.token是在資料庫表中預先插入的資料,test 是具體業務型別,tinyid.token表示可訪問的業務型別

// 獲取單個分散式自增ID
Long id =  TinyId . nextId( " test " );

// 按需批量分散式自增ID
List< Long > ids =  TinyId . nextId( " test " , 10 );

總結

本文只是簡單介紹一下每種分散式ID生成器,旨在給大家一個詳細學習的方向,每種生成方式都有它自己的優缺點,具體如何使用還要看具體的業務需求。

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