分布式ID生成方式

且听风吟02202024-06-04 10:38

1.UUID

uuid方式存在问题：占用字节数比较大；ID比较随机，作为MySQL主键写入库时，为了保证顺序性将导致B+Tree节点分裂比较频繁，影响IO性能。

2.数据库方式

步长step = 3，即为机器的数量。

第一台机器：起始值0，下一个ID位：0 + 0*3，0+1*3,0+2*3,..., ~ 0,3,6,9,...,3*n。

第一台机器：起始值1，下一个ID位：1 + 0*3，1+1*3,1+2*3,..., ~ 1,4,7,10,...,3*n + 1。

第一台机器：起始值2，下一个ID位：2 + 0*3，2+1*3,2+2*3,..., ~ 2,5,8,11,...,3*n + 2。

如果起初确认Mysql机器数量为4，则每台机器通过自增方式生成ID如下：

sql 复制代码 
第一台：4 * n + 0。

第二台：4 * n + 1。

第三台：4 * n + 2。

第四台：4 * n + 3。

综上，该方式每台机器均衡负载后生成的ID均不会重复。每次请求均通过以下SQL申请新的ID：

sql 复制代码 
begin;
REPLACE INTO Tickets64 (stub) VALUES ('a');
SELECT LAST_INSERT_ID();
commit;

其中，表Tickets64只有两个字段，字段stub存在唯一索引。MySQL命令之replace保证每次更新stub值时如果存在该值则删除后自增，否则直接自增。

备注：表Tickets64只有一行数据，行锁保证并发问题。

问题：运行中途需要新增机器来增加并发性能，ID如何处理？

解答：观察现有所有机器找到其中最大ID值，例如1800。其次，重新确定每台机器的起始值，例如3000、3001、3002、...。【必须大于1800】。然后，再次修改Mysql自增的步长。最后重启所有机器。

以上这种方式存在的问题：

  1. 机器横向扩展比较麻烦。
  2. ID并非单调自增，而是趋势自增。
  3. 每次获取ID都得操作数据库，高并发严重影响性能。

解决办法之Leaf方案。

2.1.Leaf-segment数据库方案

第一种Leaf-segment方案，在使用数据库的方案上，做了如下改变： - 原方案每次获取ID都得读写一次数据库，造成数据库压力大。改为利用proxy server批量获取，每次获取一个segment(step决定大小)号段的值。用完之后再去数据库获取新的号段，可以大大的减轻数据库的压力。 - 各个业务不同的发号需求用biz_tag字段来区分，每个biz-tag的ID获取相互隔离，互不影响。如果以后有性能需求需要对数据库扩容，不需要上述描述的复杂的扩容操作，只需要对biz_tag分库分表就行。

数据库设计方案如下：

优点：

  • Leaf服务可以很方便的线性扩展，性能完全能够支撑大多数业务场景。
  • ID号码是趋势递增的8byte的64位数字，满足上述数据库存储的主键要求。
  • 容灾性高：Leaf服务内部有号段缓存，即使DB宕机，短时间内Leaf仍能正常对外提供服务。
  • 可以自定义max_id的大小，非常方便业务从原有的ID方式上迁移过来。

缺点：

  • ID号码不够随机，能够泄露发号数量的信息，不太安全。
  • TP999数据波动大，当号段使用完之后还是会hang在更新数据库的I/O上，tg999数据会出现偶尔的尖刺。
  • DB宕机会造成整个系统不可用。

2.2.Leaf-segment数据库进化方案之双buffer优化

对于第二个缺点，Leaf-segment做了一些优化，简单的说就是：

Leaf 取号段的时机是在号段消耗完的时候进行的，也就意味着号段临界点的ID下发时间取决于下一次从DB取回号段的时间，并且在这期间进来的请求也会因为DB号段没有取回来，导致线程阻塞。如果请求DB的网络和DB的性能稳定，这种情况对系统的影响是不大的，但是假如取DB的时候网络发生抖动，或者DB发生慢查询就会导致整个系统的响应时间变慢。

为此，我们希望DB取号段的过程能够做到无阻塞，不需要在DB取号段的时候阻塞请求线程，即当号段消费到某个点时就异步的把下一个号段加载到内存中。而不需要等到号段用尽的时候才去更新号段。这样做就可以很大程度上的降低系统的TP999指标。

java 复制代码 
public class SegmentIDGenImpl implements IDGen {
    //tag 与 segment对应关系
    private Map<String, SegmentBuffer> cache = new ConcurrentHashMap<String, SegmentBuffer>();
    public Result get(final String key) {
        if (cache.containsKey(key)) {
            SegmentBuffer buffer = cache.get(key);
            if (!buffer.isInitOk()) {// 双检加锁
                synchronized (buffer) {
                    if (!buffer.isInitOk()) {
                        updateSegmentFromDb(key, buffer.getCurrent());
                        buffer.setInitOk(true);
                    }
                }
            }
            return getIdFromSegmentBuffer(cache.get(key));
        }
        return new Result(EXCEPTION_ID_KEY_NOT_EXISTS, Status.EXCEPTION);
    }
    
    public void updateSegmentFromDb(String key, Segment segment) {
        StopWatch sw = new Slf4JStopWatch();
        SegmentBuffer buffer = segment.getBuffer();
        LeafAlloc leafAlloc;
        if (!buffer.isInitOk()) {
            //UPDATE T_LEAF_ALLOC SET MAX_ID = MAX_ID + STEP WHERE BIZ_TAG = #{tag}
            // mysql 写操作不存在并发问题。初始化完毕MAX_ID
            leafAlloc = dao.updateMaxIdAndGetLeafAlloc(key);
            buffer.setStep(leafAlloc.getStep());
            buffer.setMinStep(leafAlloc.getStep());//leafAlloc中的step为DB中的step
        } else if (buffer.getUpdateTimestamp() == 0) {
            leafAlloc = dao.updateMaxIdAndGetLeafAlloc(key);
            buffer.setUpdateTimestamp(System.currentTimeMillis());
            buffer.setStep(leafAlloc.getStep());
            buffer.setMinStep(leafAlloc.getStep());//leafAlloc中的step为DB中的step
        } else {
            long duration = System.currentTimeMillis() - buffer.getUpdateTimestamp();
            int nextStep = buffer.getStep();
            if (duration < SEGMENT_DURATION) {
                if (nextStep * 2 > MAX_STEP) {
                    //do nothing
                } else {
                    nextStep = nextStep * 2;
                }
            } else if (duration < SEGMENT_DURATION * 2) {
                //do nothing with nextStep
            } else {
                nextStep = nextStep / 2 >= buffer.getMinStep() ? nextStep / 2 : nextStep;
            }
            logger.info("leafKey[{}], step[{}], duration[{}mins], nextStep[{}]", key, buffer.getStep(), String.format("%.2f",((double)duration / (1000 * 60))), nextStep);
            LeafAlloc temp = new LeafAlloc();
            temp.setKey(key);
            temp.setStep(nextStep);
            leafAlloc = dao.updateMaxIdByCustomStepAndGetLeafAlloc(temp);
            buffer.setUpdateTimestamp(System.currentTimeMillis());
            buffer.setStep(nextStep);
            buffer.setMinStep(leafAlloc.getStep());//leafAlloc的step为DB中的step
        }
        // must set value before set max
        long value = leafAlloc.getMaxId() - buffer.getStep();
        segment.getValue().set(value);
        segment.setMax(leafAlloc.getMaxId());
        segment.setStep(buffer.getStep());
        sw.stop("updateSegmentFromDb", key + " " + segment);
    }
    
    public Result getIdFromSegmentBuffer(final SegmentBuffer buffer) {
        // 一个进程中，存在并发访问cache中某个tag
        while (true) {
            buffer.rLock().lock();
            try {
                // 从双buffer中获取当前Segment
                final Segment segment = buffer.getCurrent();
                // 如果当前步长内，ID使用率已经达到步长的90%，则需要切换buffer
                if (!buffer.isNextReady() && (segment.getIdle() < 0.9 * segment.getStep()) && buffer.getThreadRunning().compareAndSet(false, true)) {
                    service.execute(new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                            //获取到第二个Segment
                            Segment next = buffer.getSegments()[buffer.nextPos()];
                            boolean updateOk = false;
                            try {
                                // 初始化第二个Segment对应的其实ID，以及步长
                                updateSegmentFromDb(buffer.getKey(), next);
                                updateOk = true;
                            } catch (Exception e) {
                                logger.warn(buffer.getKey() + " updateSegmentFromDb exception", e);
                            } finally {
                                if (updateOk) {
                                    buffer.wLock().lock();
                                    buffer.setNextReady(true);
                                    buffer.getThreadRunning().set(false);
                                    buffer.wLock().unlock();
                                } else {
                                    buffer.getThreadRunning().set(false);
                                }
                            }
                        }
                    });
                }
                // 在当前步长中获取下一个ID
                long value = segment.getValue().getAndIncrement();
                if (value < segment.getMax()) {// 没有达到最大ID之前，均成功返回
                    return new Result(value, Status.SUCCESS);
                }
            } finally {
                buffer.rLock().unlock();
            }
            //以下执行说明ID已经达到最大值
            waitAndSleep(buffer);
            buffer.wLock().lock();
            try {
                final Segment segment = buffer.getCurrent();
                long value = segment.getValue().getAndIncrement();
                if (value < segment.getMax()) {//以下成立，说明上述定时任务切换Segment成功
                    return new Result(value, Status.SUCCESS);
                }
                if (buffer.isNextReady()) {//
                    buffer.switchPos();
                    buffer.setNextReady(false);
                } else {
                    return new Result(EXCEPTION_ID_TWO_SEGMENTS_ARE_NULL, Status.EXCEPTION);
                }
            } finally {
                buffer.wLock().unlock();
            }
        }
    }
}

2.3.Leaf高可用容灾

对于第三点"DB可用性"问题，我们目前采用一主两从的方式，同时分机房部署，Master和Slave之间采用半同步方式同步数据。同时使用公司Atlas数据库中间件（已开源，改名为DBProxy）做主从切换。当然这种方案在一些情况会退化成异步模式，甚至在非常极端情况下仍然会造成数据不一致的情况，但是出现的概率非常小。如果你的系统要保证100%的数据强一致，可以选择使用"类Paxos算法"实现的强一致MySQL方案，如MySQL 5.7前段时间刚刚GA的MySQL Group Replication。但是运维成本和精力都会相应的增加，根据实际情况选型即可。

3.Leaf-snowflake方案

Leaf-segment方案可以生成趋势递增的ID，同时ID号是可计算的，不适用于订单ID生成场景，比如竞对在两天中午12点分别下单，通过订单id号相减就能大致计算出公司一天的订单量，这个是不能忍受的。面对这一问题，我们提供了 Leaf-snowflake方案。

java 复制代码 
public class SnowFlake {
 
    /**
     * 起始的时间戳
     */
    private final static long START_STMP = 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 DATACENTER_BIT = 5;//数据中心占用的位数
 
    /**
     * 每一部分的最大值
     */
    private final static long MAX_DATACENTER_NUM = -1L ^ (-1L << DATACENTER_BIT);
    private final static long MAX_MACHINE_NUM = -1L ^ (-1L << MACHINE_BIT);
    private final static long MAX_SEQUENCE = -1L ^ (-1L << SEQUENCE_BIT);
 
    /**
     * 每一部分向左的位移
     */
    private final static long MACHINE_LEFT = SEQUENCE_BIT;
    private final static long DATACENTER_LEFT = SEQUENCE_BIT + MACHINE_BIT;
    private final static long TIMESTMP_LEFT = DATACENTER_LEFT + DATACENTER_BIT;
 
    private long datacenterId;  //数据中心
    private long machineId;     //机器标识
    private long sequence = 0L; //序列号
    private long lastStmp = -1L;//上一次时间戳
 
    public SnowFlake(long datacenterId, long machineId) {
        if (datacenterId > MAX_DATACENTER_NUM || datacenterId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("datacenterId can't be greater than MAX_DATACENTER_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
     * 同步锁的保证：同一毫秒内可能存在多个请求竞争得到同步锁。
     */
    public synchronized long nextId() {
        long currStmp = getNewstmp();
        /**
         * 同一毫秒内允许 MAX_SEQUENCE（4095）个请求先后生成ID。多余的请求因为以下条件的成立拒绝生成
         */
        if (currStmp < lastStmp) {
            throw new RuntimeException("Clock moved backwards.  Refusing to generate id");
        }
 
        if (currStmp == lastStmp) {
            //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) {
                currStmp = getNextMill();
            }
        } else {
            //不同毫秒内，序列号置为0
            sequence = 0L;
        }
 
        lastStmp = currStmp;
        /**
         * 在64位字节中通过 或 操作将 时间戳、数据中心、机器标识、序列号4部分放到对应字节范围内。
         * 注意：对于同一个项目，datacenterId、machineId可能是不变的。如果随便更改时间戳起始值之START_STMP值可能导致分布式ID存在相同的情况。
         *
         * 在分布式ID 64个字节中，41个字节作为时间戳，其对应的最大值为2^41。41 位的时间位是2 ^ 41 / (365 * 24 * 3600 * 1000) = 69 年。
         * currStmp - START_STMP 是指距离当年之后的69年内。
         * 如果直接用 currStmp 替代，则表示距离1970年后的69年，以2024年为例最多可用15年。
         */
        return (currStmp - START_STMP) << TIMESTMP_LEFT //时间戳部分
                | datacenterId << DATACENTER_LEFT       //数据中心部分
                | machineId << MACHINE_LEFT             //机器标识部分
                | sequence;                             //序列号部分
    }
 
    private long getNextMill() {
        long mill = getNewstmp();
        while (mill <= lastStmp) {
            mill = getNewstmp();
        }
        return mill;
    }
 
    private long getNewstmp() {
        return System.currentTimeMillis();
    }
 
    public static void m1() {
        SnowFlake snowFlake = new SnowFlake(2, 3);
 
        for (int i = 0; i < (1 << 12); i++) {
            System.out.println(snowFlake.nextId());
        }
 
    }
}

3.1.解决时钟回拨问题

时钟回拨导致的问题存在两个：获取分布式ID & 服务启动流程。

3.1.1.服务启动

因为这种方案依赖时间，如果机器的时钟发生了回拨，那么就会有可能生成重复的ID号，需要解决时钟回退的问题。

参见上图整个启动流程图，服务启动时首先检查自己是否写过ZooKeeper leaf_forever节点：

  1. 若写过，则用自身系统时间与leaf_forever/{self}节点记录时间做比较，若小于leaf_forever/{self}时间则认为机器时间发生了大步长回拨，服务启动失败并报警。
  2. 若未写过，证明是新服务节点，直接创建持久节点leaf_forever/${self}并写入自身系统时间，接下来综合对比其余Leaf节点的系统时间来判断自身系统时间是否准确，具体做法是取leaf_temporary下的所有临时节点(所有运行中的Leaf-snowflake节点)的服务IP：Port，然后通过RPC请求得到所有节点的系统时间，计算sum(time)/nodeSize。
  3. 若abs( 系统时间-sum(time)/nodeSize ) < 阈值，认为当前系统时间准确，正常启动服务，同时写临时节点leaf_temporary/${self} 维持租约。
  4. 否则认为本机系统时间发生大步长偏移，启动失败并报警。
  5. 每隔一段时间(3s)上报自身系统时间写入leaf_forever/${self}。
java 复制代码 
public class SnowflakeIDGenImpl implements IDGen {
    public SnowflakeIDGenImpl(String zkAddress, int port, long twepoch) {
        this.twepoch = twepoch;
        Preconditions.checkArgument(timeGen() > twepoch, "Snowflake not support twepoch gt currentTime");
        final String ip = Utils.getIp();
        SnowflakeZookeeperHolder holder = new SnowflakeZookeeperHolder(ip, String.valueOf(port), zkAddress);
        boolean initFlag = holder.init();
        Preconditions.checkArgument(workerId >= 0 && workerId <= maxWorkerId, "workerID must gte 0 and lte 1023");
    }
}


public class SnowflakeZookeeperHolder {
   public boolean init() {
        try {
            CuratorFramework curator = createWithOptions(connectionString, new RetryUntilElapsed(1000, 4), 10000, 6000);
            curator.start();
            Stat stat = curator.checkExists().forPath(PATH_FOREVER);
            if (stat == null) {
                //不存在根节点,机器第一次启动,创建/snowflake/ip:port-000000000,并上传数据
                zk_AddressNode = createNode(curator);
                //worker id 默认是0
                updateLocalWorkerID(workerID);
                //定时上报本机时间给forever节点:其实就是一个定时任务，每隔3秒上报一次当前时间啊
                ScheduledUploadData(curator, zk_AddressNode);
                return true;
            } else {
                Map<String, Integer> nodeMap = Maps.newHashMap();//ip:port->00001
                Map<String, String> realNode = Maps.newHashMap();//ip:port->(ipport-000001)
                //存在根节点,先检查是否有属于自己的根节点
                List<String> keys = curator.getChildren().forPath(PATH_FOREVER);
                for (String key : keys) {
                    String[] nodeKey = key.split("-");
                    realNode.put(nodeKey[0], key);
                    nodeMap.put(nodeKey[0], Integer.parseInt(nodeKey[1]));
                }
                Integer workerid = nodeMap.get(listenAddress);
                if (workerid != null) {
                    //有自己的节点,zk_AddressNode=ip:port
                    zk_AddressNode = PATH_FOREVER + "/" + realNode.get(listenAddress);
                    workerID = workerid;//启动worder时使用会使用
                    if (!checkInitTimeStamp(curator, zk_AddressNode)) {
                        throw new CheckLastTimeException("init timestamp check error,forever node timestamp gt this node time");
                    }
                    //准备创建临时节点
                    doService(curator);
                    // 将workerID 初始化在 leaf 服务本地磁盘内部，一旦zk出现问题可以从本地磁盘获取该workerID
                    updateLocalWorkerID(workerID);
                } else {
                    //表示新启动的节点,创建持久节点 ,不用check时间
                    String newNode = createNode(curator);
                    zk_AddressNode = newNode;
                    String[] nodeKey = newNode.split("-");
                    workerID = Integer.parseInt(nodeKey[1]);
                    doService(curator);
                    updateLocalWorkerID(workerID);
                    LOGGER.info("[New NODE]can not find node on forever node that endpoint ip-{} port-{} workid-{},create own node on forever node and start SUCCESS ", ip, port, workerID);
                }
            }
        } catch (Exception e) {
            LOGGER.error("Start node ERROR {}", e);
            try {
                // 如果 zk 出现问题，从本地磁盘获取workerID
                Properties properties = new Properties();
                properties.load(new FileInputStream(new File(PROP_PATH.replace("{port}", port + ""))));
                workerID = Integer.valueOf(properties.getProperty("workerID"));
                LOGGER.warn("START FAILED ,use local node file properties workerID-{}", workerID);
            } catch (Exception e1) {
                LOGGER.error("Read file error ", e1);
                return false;
            }
        }
        return true;
    } 
}
java 复制代码 
public class SnowflakeIDGenImpl implements IDGen {
    public synchronized Result get(String key) {//获取分布式事务ID
        long timestamp = timeGen();
        if (timestamp < lastTimestamp) {//出现了时钟回拨现象
            long offset = lastTimestamp - timestamp;
            if (offset <= 5) {
                try {
                    wait(offset << 1);// 等待一段时间：时钟回拨时间段
                    timestamp = timeGen();// 再次获取新的时间
                    if (timestamp < lastTimestamp) {
                        return new Result(-1, Status.EXCEPTION);
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    LOGGER.error("wait interrupted");
                    return new Result(-2, Status.EXCEPTION);
                }
            } else {
                return new Result(-3, Status.EXCEPTION);
            }
        }
        if (lastTimestamp == timestamp) {
            sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;
            if (sequence == 0) {
                //seq 为0的时候表示是下一毫秒时间开始对seq做随机
                sequence = RANDOM.nextInt(100);
                timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp);
            }
        } else {
            //如果是新的ms开始
            sequence = RANDOM.nextInt(100);
        }
        lastTimestamp = timestamp;
        // 返回最终的分布式ID
        long id = ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) | (workerId << workerIdShift) | sequence;
        return new Result(id, Status.SUCCESS);

    }
}

Leaf------美团点评分布式ID生成系统

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