常见分布式全局唯一ID生成策略

全局唯一的 ID 几乎是所有系统都会遇到的刚需。这个 id 在搜索, 存储数据, 加快检索速度 等等很多方面都有着重要的意义。工业上有多种策略来获取这个全局唯一的id，针对常见的几种场景，我在这里进行简单的总结和对比。

简单分析一下需求 [1]

所谓全局唯一的 id 其实往往对应是生成唯一记录标识的业务需求。

这个 id 常常是数据库的主键，数据库上会建立聚集索引（cluster index），即在物理存储上以这个字段排序。这个记录标识上的查询，往往又有分页或者排序的业务需求。所以往往要有一个time字段，并且在time字段上建立普通索引（non-cluster index）。普通索引存储的是实际记录的指针，其访问效率会比聚集索引慢，如果记录标识在生成时能够基本按照时间有序，则可以省去这个time字段的索引查询。

这就引出了记录标识生成的两大核心需求：

  • 全局唯一
  • 趋势有序

常见生成策略的优缺点对比 [2]

方法一: 用数据库的 auto_increment 来生成

优点：

  1. 此方法使用数据库原有的功能，所以相对简单
  2. 能够保证唯一性
  3. 能够保证递增性
  4. id 之间的步长是固定且可自定义的

缺点：

  1. 可用性难以保证：数据库常见架构是 一主多从 + 读写分离，生成自增ID是写请求 主库挂了就玩不转了
  2. 扩展性差，性能有上限：因为写入是单点，数据库主库的写性能决定ID的生成性能上限，并且 难以扩展
改进方案：
  • 冗余主库，避免写入单点
  • 数据水平切分，保证各主库生成的ID不重复
  • 如上图所述，由1个写库变成3个写库，每个写库设置不同的 auto_increment 初始值，以及相同的增长步长，以保证每个数据库生成的ID是不同的（上图中DB 01生成0,3,6,9…，DB 02生成1,4,7,10，DB 03生成2,5,8,11…）

改进后的架构保证了可用性，但缺点是

  • 丧失了ID生成的“绝对递增性”：先访问DB 01生成0,3，再访问DB 02生成1，可能导致在非常短的时间内，ID生成不是绝对递增的（这个问题不大，目标是趋势递增，不是绝对递增
  • 数据库的写压力依然很大，每次生成ID都要访问数据库

为了解决这些问题，引出了以下方法：

方法二：单点批量ID生成服务

分布式系统之所以难，很重要的原因之一是“没有一个全局时钟，难以保证绝对的时序”，要想保证绝对的时序，还是只能使用单点服务，用本地时钟保证“绝对时序”。

数据库写压力大，是因为每次生成ID都访问了数据库，可以使用批量的方式降低数据库写压力。

如上图所述，数据库使用双master保证可用性，数据库中只存储当前ID的最大值，例如4。

ID生成服务假设每次批量拉取5个ID，服务访问数据库，将当前ID的最大值修改为4，这样应用访问ID生成服务索要ID，ID生成服务不需要每次访问数据库，就能依次派发0,1,2,3,4这些ID了。

当ID发完后，再将ID的最大值修改为11，就能再次派发6,7,8,9,10,11这些ID了，于是数据库的压力就降低到原来的1/6。

优点：

  • 保证了ID生成的绝对递增有序
  • 大大的降低了数据库的压力，ID生成可以做到每秒生成几万几十万个

缺点：

  • 服务仍然是单点
  • 如果服务挂了，服务重启起来之后，继续生成ID可能会不连续，中间出现空洞（服务内存是保存着0,1,2,3,4，数据库中max-id是4，分配到3时，服务重启了，下次会从5开始分配，3和4就成了空洞，不过这个问题也不大）
  • 虽然每秒可以生成几万几十万个ID，但毕竟还是有性能上限，无法进行水平扩展
改进方案

单点服务的常用高可用优化方案是“备用服务”，也叫“影子服务”，所以我们能用以下方法优化上述缺点：

如上图，对外提供的服务是主服务，有一个影子服务时刻处于备用状态，当主服务挂了的时候影子服务顶上。这个切换的过程对调用方是透明的，可以自动完成，常用的技术是 vip+keepalived。另外，id generate service 也可以进行水平扩展，以解决上述缺点，但会引发一致性问题。

方法三：uuid / guid

不管是通过数据库，还是通过服务来生成ID，业务方Application都需要进行一次远程调用，比较耗时。uuid是一种常见的本地生成ID的方法。

UUID uuid = UUID.randomUUID();

优点：

  • 本地生成ID，不需要进行远程调用，时延低
  • 扩展性好，基本可以认为没有性能上限

缺点：

  • 无法保证趋势递增
  • uuid过长，往往用字符串表示，作为主键建立索引查询效率低，常见优化方案为“转化为两个uint64整数存储”或者“折半存储”（折半后不能保证唯一性）

方法四：取当前毫秒数

uuid是一个本地算法，生成性能高，但无法保证趋势递增，且作为字符串ID检索效率低，有没有一种能保证递增的本地算法呢？ - 取当前毫秒数是一种常见方案。

优点：

  • 本地生成ID，不需要进行远程调用，时延低
  • 生成的ID趋势递增
  • 生成的ID是整数，建立索引后查询效率高

缺点：

  • 如果并发量超过1000，会生成重复的ID

这个缺点要了命了，不能保证ID的唯一性。当然，使用微秒可以降低冲突概率，但每秒最多只能生成1000000个ID，再多的话就一定会冲突了，所以使用微秒并不从根本上解决问题。

方法五：使用 Redis 来生成 id

当使用数据库来生成ID性能不够要求的时候，我们可以尝试使用Redis来生成ID。这主要依赖于Redis是单线程的，所以也可以用生成全局唯一的ID。可以用Redis的原子操作 INCR 和 INCRBY 来实现。

优点：

  • 依赖于数据库，灵活方便，且性能优于数据库。
  • 数字ID天然排序，对分页或者需要排序的结果很有帮助。

缺点：

  • 如果系统中没有Redis，还需要引入新的组件，增加系统复杂度。
  • 需要编码和配置的工作量比较大。

方法六：Twitter 开源的 Snowflake 算法

snowflake 是 twitter 开源的分布式ID生成算法，其核心思想为，一个long型的ID：

  • 41 bit 作为毫秒数 - 41位的长度可以使用69年
  • 10 bit 作为机器编号 （5个bit是数据中心，5个bit的机器ID） - 10位的长度最多支持部署1024个节点
  • 12 bit 作为毫秒内序列号 - 12位的计数顺序号支持每个节点每毫秒产生4096个ID序号

算法单机每秒内理论上最多可以生成1000*(2^12)，也就是400W的ID，完全能满足业务的需求。

该算法 java 版本的实现代码如下：

public class SnowflakeIdGenerator { //================================================Algorithm‘s Parameter============================================= // 系统开始时间截 (UTC 2017-06-28 00:00:00) private final long startTime = 1498608000000L; // 机器id所占的位数 private final long workerIdBits = 5L; // 数据标识id所占的位数 private final long dataCenterIdBits = 5L; // 支持的最大机器id(十进制)，结果是31 (这个移位算法可以很快的计算出几位二进制数所能表示的最大十进制数) // -1L 左移 5位 (worker id 所占位数) 即 5位二进制所能获得的最大十进制数 - 31 private final long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits); // 支持的最大数据标识id - 31 private final long maxDataCenterId = -1L ^ (-1L << dataCenterIdBits); // 序列在id中占的位数 private final long sequenceBits = 12L; // 机器ID 左移位数 - 12 (即末 sequence 所占用的位数) private final long workerIdMoveBits = sequenceBits; // 数据标识id 左移位数 - 17(12+5) private final long dataCenterIdMoveBits = sequenceBits + workerIdBits; // 时间截向 左移位数 - 22(5+5+12) private final long timestampMoveBits = sequenceBits + workerIdBits + dataCenterIdBits; // 生成序列的掩码(12位所对应的最大整数值)，这里为4095 (0b111111111111=0xfff=4095) private final long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits); //=================================================Works‘s Parameter================================================ /** * 工作机器ID(0~31) */ private long workerId; /** * 数据中心ID(0~31) */ private long dataCenterId; /** * 毫秒内序列(0~4095) */ private long sequence = 0L; /** * 上次生成ID的时间截 */ private long lastTimestamp = -1L; //===============================================Constructors======================================================= /** * 构造函数 * * @param workerId 工作ID (0~31) * @param dataCenterId 数据中心ID (0~31) */ public SnowflakeIdGenerator(long workerId, long dataCenterId) { if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0) { throw new IllegalArgumentException(String.format("Worker Id can‘t be greater than %d or less than 0", maxWorkerId)); } if (dataCenterId > maxDataCenterId || dataCenterId < 0) { throw new IllegalArgumentException(String.format("DataCenter Id can‘t be greater than %d or less than 0", maxDataCenterId)); } this.workerId = workerId; this.dataCenterId = dataCenterId; } // ==================================================Methods======================================================== // 线程安全的获得下一个 ID 的方法 public synchronized long nextId() { long timestamp = currentTime(); //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 (timestamp < lastTimestamp) { throw new RuntimeException( String.format("Clock moved backwards. Refusing to generate id for %d milliseconds", lastTimestamp - timestamp)); } //如果是同一时间生成的，则进行毫秒内序列 if (lastTimestamp == timestamp) { sequence = (sequence + 1) & sequenceMask; //毫秒内序列溢出 即 序列 > 4095 if (sequence == 0) { //阻塞到下一个毫秒,获得新的时间戳 timestamp = blockTillNextMillis(lastTimestamp); } } //时间戳改变，毫秒内序列重置 else { sequence = 0L; } //上次生成ID的时间截 lastTimestamp = timestamp; //移位并通过或运算拼到一起组成64位的ID return ((timestamp - startTime) << timestampMoveBits) // | (dataCenterId << dataCenterIdMoveBits) // | (workerId << workerIdMoveBits) // | sequence; } // 阻塞到下一个毫秒 即 直到获得新的时间戳 protected long blockTillNextMillis(long lastTimestamp) { long timestamp = currentTime(); while (timestamp <= lastTimestamp) { timestamp = currentTime(); } return timestamp; } // 获得以毫秒为单位的当前时间 protected long currentTime() { return System.currentTimeMillis(); } //====================================================Test Case===================================================== public static void main(String[] args) { SnowflakeIdGenerator idWorker = new SnowflakeIdGenerator(0, 0); for (int i = 0; i < 1000; i++) { long id = idWorker.nextId(); System.out.println(Long.toBinaryString(id)); System.out.println(id); } }}

原文地址：https://www.cnblogs.com/cuiyubo/p/9615613.html

时间： 2024-11-05 15:58:02

常见分布式全局唯一ID生成策略的相关文章

分布式全局唯一ID生成策略?

一.背景 分布式系统中我们会对一些数据量大的业务进行分拆,如:用户表,订单表.因为数据量巨大一张表无法承接,就会对其进行分库分表. 但一旦涉及到分库分表,就会引申出分布式系统中唯一主键ID的生成问题. 1.1 唯一ID的特性 整个系统ID唯一; ID是数字类型,而且是趋势递增; ID简短,查询效率快. 1.2 递增与趋势递增 递增 趋势递增 第一次生成的ID为12,下一次生成的ID是13,再下一次生成的ID是14. 什么是?如:在一段时间内,生成的ID是递增的趋势.如:再一段时间内生成的ID在[

分布式全局唯一ID的实现

分布式全局唯一ID的实现 前言 上周末考完试,这周正好把工作整理整理,然后也把之前的一些素材,整理一番,也当自己再学习一番. 一方面正好最近看到几篇这方面的文章,另一方面也是正好工作上有所涉及,所以决定写一篇这样的文章. 先是简单介绍概念和现有解决方案,然后是我对这些方案的总结,最后是我自己项目的解决思路. 概念 在复杂分布式系统中,往往需要对大量的数据和消息进行唯一标识. 如在金融.电商.支付.等产品的系统中,数据日渐增长,对数据分库分表后需要有一个唯一ID来标识一条数据或消息,数据库的自增I

分布式全局唯一ID与自增序列

包含时间顺序的ID 此场景最简单的实现方案,就是采用 twitter 的 Snowflake 算法.ID总长64位,第1位不可用,41位表示时间戳,10位表示生成机器的id,后12位表示序列号. 为什么第一位不可用?第一位为0,可以确保ID在java的long类型数据一直为正整数递增 同一时间戳即毫秒内,能产生多少个ID? 2^12 = 4096 个ID [ 0 ~ 4095 ] 唯一性?通过机器ID预先已经做了一次空间隔离,再通过时间戳做了一次时间隔离,最后通过时间戳内的计数实现了一定程度内的

详解分布式系统中的唯一id生成策略

系统唯一ID是我们在设计一个系统的时候常常会遇见的问题,也常常为这个问题而纠结.生成ID的方法有很多,适应不同的场景.需求以及性能要求.所以有些比较复杂的系统会有多个ID生成的策略.下面就介绍一些常见的ID生成策略. 平常应用中方式很多 1. 数据库自增长序列或字段 2. UUID 3.uuid的变种 4.redis生成 5. Twitter的snowflake算法 snowflake是Twitter开源的分布式ID生成算法,结果是一个long型的ID.其核心思想是:使用41bit作为毫秒数,1

分布式系统全局唯一ID生成

一 什么是分布式系统唯一ID 在复杂分布式系统中,往往需要对大量的数据和消息进行唯一标识. 如在金融.电商.支付.等产品的系统中,数据日渐增长,对数据分库分表后需要有一个唯一ID来标识一条数据或消息,数据库的自增ID显然不能满足需求,此时一个能够生成全局唯一ID的系统是非常必要的. 二.分布式系统唯一ID的特点 全局唯一性:不能出现重复的ID号,既然是唯一标识,这是最基本的要求. 趋势递增:在MySQL InnoDB引擎中使用的是聚集索引,由于多数RDBMS使用B-tree的数据结构来存储索引数

zookeeper全局唯一id生成

一背景 传统生成id方式可以靠数据库的自增来实现,但是在分布式环境下不太适应.依赖数据库容易造成单点. 为什么不用UUID的,网上看别人介绍的时候,从两个方面去分析: 1 大并发的情况下,UUID会出现重复. 2.UUID是随即的,含义不明.从业务角度去考虑,如果用作订单,用户查询订单在数据分片的情况下很可能分散在多个库,查询困难. 全局唯一id的要求比较高: 不能有单点故障. 性能好,毫秒级返回. 能顺序便于DB存储及划分. 二 使用zookeeper生成全局唯一id. 2.1 利用Zooke

mysql全局唯一ID生成方案（二）

MySQL数据表结构中,一般情况下,都会定义一个具有‘AUTO_INCREMENT’扩展属性的‘ID’字段,以确保数据表的每一条记录都可以用这个ID唯一确定: 随着数据的不断扩张,为了提高数据库查询性能,降低查询热点,一般都会把一张表按照一定的规则分成多张数据表,即常说的分表: 分表除了表名的索引不同之外,表结构都是一样的,如果各表的‘ID’字段仍采用‘AUTO_INCREMENT’的方式的话,ID就不能唯确定一条记录了. 这时就需要一种处于各个分表之外的机制来生成ID,我们一般采用一张单独的数

Twitter全局唯一ID生成算法

测试:private static void TestIdWorker() { HashSet<long> set = new HashSet<long>(); IdWorker idWorker1 = new IdWorker(0, 0); IdWorker idWorker2 = new IdWorker(1, 0); //762884413578018816 //762884520121729024 Stopwatch sw = new Stopwatch(); sw.Sta

分布式高并发下全局ID生成策略

数据在分片时,典型的是分库分表,就有一个全局ID生成的问题.单纯的生成全局ID并不是什么难题,但是生成的ID通常要满足分片的一些要求:   1 不能有单点故障.   2 以时间为序,或者ID里包含时间.这样一是可以少一个索引,二是冷热数据容易分离.   3 可以控制ShardingId.比如某一个用户的文章要放在同一个分片内,这样查询效率高,修改也容易.   4 不要太长,最好64bit.使用long比较好操作,如果是96bit,那就要各种移位相当的不方便,还有可能有些组件不能支持这么大的ID.