分布式ID生成方案总结整理

时间：2022-10-30 07:13:16

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1、为什么需要分布式ID？

对于单体系统来说，主键ID可能会常用主键自动的方式进行设置，这种ID生成方法在单体项目是可行的，但是对于分布式系统，分库分表之后，就不适应了，比如订单表数据量太大了，分成了多个库，如果还采用数据库主键自增的方式，就会出现在不同库id一致的情况，虽然是不符合业务的
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2、业务系统对分布式ID有什么要求？

  • 全局唯一性：ID是作为唯一的标识，不能出现重复
  • 趋势递增：互联网比较喜欢MySQL数据库，而MySQL数据库默认使用InnoDB存储引擎，其使用的是聚集索引，使用有序的主键ID有利于保证写入的效率
  • 单调递增：保证下一个ID大于上一个ID，这种情况可以保证事务版本号，排序等特殊需求实现
  • 信息安全：前面说了ID要递增，但是最好不要连续，如果ID是连续的，容易被恶意爬取数据，指定一系列连续的，所以ID递增但是不规则是最好的

3、分布式ID生成方案

  • UUID
  • 数据库自增
  • 号段模式
  • Redis实现
  • 雪花算法（SnowFlake）
  • 百度Uidgenerator
  • 美团Leaf
  • 滴滴TinyID

3.1 UUID

UUID （Universally Unique Identifier），通用唯一识别码的缩写。UUID的标准型式包含32个16进制数字，以连字号分为五段，形式为8-4-4-4-12的36个字符，示例： 863e254b-ae34-4371-87da-204b71d46a7b。UUID理论上的总数为1632=2128，约等于3.4 x 10^38。

  • 优点
    • 性能非常高，本地生成的，不依赖于网络
  • 缺点
    • 不易存储，16 字节128位，36位长度的字符串
    • 信息不安全，基于MAC地址生成UUID的算法可能会造成MAC地址泄露，暴露使用者的位置
    • uuid的无序性可能会引起数据位置频繁变动，影响性能

3.2、数据库自增

在分布式环境也可以使用mysql的自增实现分布式ID的生成，如果分库分表了，当然不是简单的设置好auto_increment_increment和 auto_increment_offset 即可，在分布式系统中我们可以多部署几台机器，每台机器设置不同的初始值，且步长和机器数相等。比如有两台机器。设置步长step为2，Server1的初始值为1（1，3，5，7，9，11…）、Server2的初始值为2（2，4，6，8，10…）。这是Flickr团队在2010年撰文介绍的一种主键生成策略（Ticket Servers: Distributed Unique Primary Keys on the Cheap ）

假设有N台机器，step就要设置为N，如图进行设置：
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这种方案看起来是可行的，但是如果要扩容，步长step等要重新设置，假如只有一台机器，步长就是1，比如1,2,3,4,5,6，这时候如果要进行扩容，就要重新设置，机器2可以挑一个偶数的数字，这个数字在扩容时间内，数据库自增要达不到这个数的，然后步长就是2，机器1要重新设置step为2，然后还是以一个奇数开始进行自增。这个过程看起来不是很杂，但是，如果机器很多的话，那就要花很多时间去维护重新设置

这种实现的缺陷：

  • ID没有了单调递增的特性，只能趋势递增，有些业务场景可能不符合
  • 数据库压力还是比较大，每次获取ID都需要读取数据库，只能通过多台机器提高稳定性和性能

3.3、号段模式

这种模式也是现在生成分布式ID的一种方法，实现思路是会从数据库获取一个号段范围，比如[1,1000]，生成1到1000的自增ID加载到内存中，建表结构如：

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 ：不同业务类型
  • max_id ：当前最大的id
  • step ：代表号段的步长
  • version ：版本号，就像MVCC一样，可以理解为乐观锁

等ID都用了，再去数据库获取，然后更改最大值

update id_generator set max_id = #{max_id+step}, version = version + 1 where version = # {version} and biz_type = XXX
  • 优点：有比较成熟的方案，像百度Uidgenerator，美团Leaf
  • 缺点：依赖于数据库实现

3.4、 Redis实现

Redis分布式ID实现主要是通过提供像INCR 和 INCRBY 这样的自增原子命令，由于Redis单线程的特点，可以保证ID的唯一性和有序性

这种实现方式，如果并发请求量上来后，就需要集群，不过集群后，又要和传统数据库一样，设置分段和步长

优缺点：

  • 优点：Redis性能相对比较好，又可以保证唯一性和有序性
  • 缺点：需要依赖Redis来实现，系统需要引进Redis组件

3.4、 雪花算法（SnowFlake）

Snowflake，雪花算法是由Twitter开源的分布式ID生成算法，以划分命名空间的方式将
64-bit位分割成多个部分，每个部分代表不同的含义，64位，在java中Long类型是64位的，所以java程序中一般使用Long类型存储
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  • 第一部分：第一位占用1bit，始终是0，是一个符号位，不使用

  • 第二部分：第2位开始的41位是时间戳。41-bit位可表示241个数，每个数代表毫秒，那么雪花算法可用的时间年限是(241)/(1000606024365)=69 年的时间

  • 第三部分：10-bit位可表示机器数，即2^10 = 1024台机器。通常不会部署这么多台机器

  • 第四部分：12-bit位是自增序列，可表示2^12 = 4096个数。觉得一毫秒个数不够用也可以调大点

  • 优点：雪花算法生成的ID是趋势递增，不依赖数据库等第三方系统，生成ID的效率非常高，稳定性好，可以根据自身业务特性分配bit位，比较灵活

  • 缺点：雪花算法强依赖机器时钟，如果机器上时钟回拨，会导致发号重复或者服务会处于不可用状态。如果恰巧回退前生成过一些ID，而时间回退后，生成的ID就有可能重复。

3.5、 百度Uidgenerator

百度的UidGenerator是百度开源基于Java语言实现的唯一ID生成器，是在雪花算法 snowflake 的基础上做了一些改进。
引用官网的解释：

UidGenerator是Java实现的, 基于Snowflake算法的唯一ID生成器。UidGenerator以组件形式工作在应用项目中, 支持自定义workerId位数和初始化策略, 从而适用于docker等虚拟化环境下实例自动重启、漂移等场景。 在实现上, UidGenerator通过借用未来时间来解决sequence天然存在的并发限制; 采用RingBuffer来缓存已生成的UID, 并行化UID的生产和消费, 同时对CacheLine补齐，避免了由RingBuffer带来的硬件级「伪共享」问题. 最终单机QPS可达600万。
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Snowflake算法描述：指定机器 & 同一时刻 & 某一并发序列，是唯一的。据此可生成一个64 bits的唯一ID（long）。默认采用上图字节分配方式：

  • sign(1bit)：固定1bit符号标识，即生成的UID为正数。
  • delta seconds (28 bits)：当前时间，相对于时间基点"2016-05-20"的增量值，单位：秒，最多可支持约8.7年
  • worker id (22 bits)：机器id，最多可支持约420w次机器启动。内置实现为在启动时由数据库分配，默认分配策略为用后即弃，后续可提供复用策略。
  • sequence (13 bits)：每秒下的并发序列，13 bits可支持每秒8192个并发。

详细的，可以参考官网解释，链接：https://github.com/baidu/uid-generator/blob/master/README.zh_cn.md

3.6、 美团Leaf

Leaf这个名字是来自德国哲学家、数学家莱布尼茨的一句话： >There are no two
identical leaves in the world > “世界上没有两片相同的树叶”

Leaf 提供两种生成的ID的方式：号段模式(Leaf-segment)和snowflake模式(Leaf-snowflake）。你可以同时开启两种方式，也可以指定开启某种方式，默认两种方式为关闭状态。

  • Leaf­segment数据库方案
    其实就是前面介绍的号段模式的改进，可以引用美团技术博客的介绍：

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

表结构设计：

>+-------------+--------------+------+-----+-------------------+-----------------------------+
| Field       | Type         | Null | Key | Default           | Extra                       |
+-------------+--------------+------+-----+-------------------+-----------------------------+
| biz_tag     | varchar(128) | NO   | PRI |                   |                             |
| max_id      | bigint(20)   | NO   |     | 1                 |                             |
| step        | int(11)      | NO   |     | NULL              |                             |
| desc        | varchar(256) | YES  |     | NULL              |                             |
| update_time | timestamp    | NO   |     | CURRENT_TIMESTAMP | on update CURRENT_TIMESTAMP |
+-------------+--------------+------+-----+-------------------+-----------------------------+
  • Leaf­snowflake方案
    Leafsnowflake是在雪花算法上改进来的，引用官网技术博客介绍：

Leaf-snowflake方案完全沿用snowflake方案的bit位设计，即是“1+41+10+12”的方式组装ID号。对于workerID的分配，当服务集群数量较小的情况下，完全可以手动配置。Leaf服务规模较大，动手配置成本太高。所以使用Zookeeper持久顺序节点的特性自动对snowflake节点配置wokerID。Leaf-snowflake是按照下面几个步骤启动的：

  • 启动Leaf-snowflake服务，连接Zookeeper，在leaf_forever父节点下检查自己是否已经注册过（是否有该顺序子节点）。
  • 如果有注册过直接取回自己的workerID（zk顺序节点生成的int类型ID号），启动服务。
  • 如果没有注册过，就在该父节点下面创建一个持久顺序节点，创建成功后取回顺序号当做自己的workerID号，启动服务。

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这种方案解决了前面提到的雪花算法的缺陷，官网没解释，不过Leaf­snowflake对其进行改进，官网的流程图
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详细介绍请看官网：https://tech.meituan.com/2017/04/21/mt-leaf.html

3.7、 滴滴TinyID

Tinyid是用Java开发的一款分布式id生成系统，基于数据库号段算法实现。Tinyid扩展了leaf-segment算法，支持了多数据库和tinyid-client

Tinyid也是基于号段算法实现，系统实现图如下：
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  • 优点：方便集成，有成熟的方案和解决实现
  • 缺点：依赖 DB的稳定性，需要采用集群主从备份的方式提高 DB的可用性
    滴滴TinyID wiki：https://github.com/didi/tinyid/wiki

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