常见分布式ID解决方案总结
- 分布式ID
- 分布式ID方案之数据库
- 数据库主键自增
- 数据库号段模式
- Redis自增
- MongoDB
- 分布式ID方案之算法
- UUID
- Snowflake(雪花算法)
- 雪花算法的使用
- IdWorker工具类
- 配置分布式ID生成器
- 分布式ID方案之开源组件
- uid- generator(百度)
- Tinyid(滴滴)
- Leaf(美团)
- 三者比较
- Leaf组件的使用
- 源码打包
- 引入依赖
- Leaf配置参数
- 号段模式配置
- Snowflake模式配置
- 注解启动leaf
- API的使用
- 号段模式测试
- 雪花算法测试
分布式ID
分布式 ID(Distributed ID)是指在分布式系统中生成全局唯一的标识符,用于标识不同实体或数据对象。在分布式系统中,由于数据存储、计算和处理都分散在不同的节点上,因此需要一个可靠的方式来跟踪和标识这些数据对象。
分布式ID最低要求:
全局唯一 :ID 的全局唯一性肯定是首先要满足的高性能 : 分布式 ID 的生成速度要快,对本地资源消耗要小高可用 :生成分布式 ID 的服务要保证可用性无限接近于 100%方便易用 :拿来即用,使用方便,快速接入
优秀的分布式 ID
安全 :ID 中不包含敏感信息有序递增 :如果ID存放在数据库,ID的有序性可以提升数据库写入速度。有利于ID来进行排序有具体的业务含义 :生成的 ID 如果能有具体的业务含义,可以让定位问题以及开发更透明化(通过 ID 就能确定是哪个业务)独立部署 :分布式系统单独有一个发号器服务,专门用来生成分布式 ID
分布式ID方案之数据库
数据库主键自增
数据库自增ID是在数据库中创建表时,通过设置一个自增的ID字段来实现的。每当插入一条记录时,数据库会自动为该记录生成一个唯一的ID。
数据库自增ID可以很好地保证ID的唯一性,但在高并发和大规模的分布式系统中,容易出现瓶颈和性能问题。同时,由于数据库自增ID只能在单个数据库中保证唯一性,因此需要通过分库分表等方式来支持多台机器上的生成。
简言之:
简单方便,有序递增,方便排序和分页并发性能不高,受限于数据库性能分库分表,需改造,较复杂自增数据量泄露
数据库号段模式
数据库主键自增这种模式,每次获取 ID 都要访问一次数据库,数据库压力大。因此,可以批量获取,然后存在内存里面,需要用到的时候,直接从内存里面拿来使用
主键自增
1,2,3......
号段模式:每请求一次分配一个号段
100,200,3001...100,101...200,201...300
号段模式相比主键自增而言: 性能提高且自增
Redis自增
Redis 可以通过自增命令来实现分布式 ID 的生成。常用的方法是使用 Redis 的自增命令 INCR,将一个特定的 key 自增,并将其作为 ID 返回。这种方法是线程安全的,可以在分布式系统中使用
即使有AOF和RDB,但是依然会存在数据丢失的可能,有可能会造成ID重复性能不错并且生成的 ID 是有序递增的,但是自增存在数据量泄露
MongoDB
MongoDB ObjectId是MongoDB数据库中的一个内置数据类型,用于唯一标识MongoDB文档(Document)。
它由12个字节组成,其中前4个字节表示时间戳,接下来3个字节表示机器ID,然后2个字节表示进程ID,最后3个字节表示随机值。
优缺点:
生成的 ID 是有序递增的当机器时间不对的情况下,可能导致会产生重复 IDID生成有规律性,存在安全性问题
分布式ID方案之算法
UUID
UUID是一种通用唯一识别码,它是由一组算法和标准组成的,可以保证在全球范围内唯一性。UUID不依赖于任何中心节点,可以在分布式系统中很好地保证ID的唯一性。缺点是它生成的ID比较长,不利于索引和查询
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。
优缺点:
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存储消耗空间大(32 个字符串,128 位)不能生成递增有序的数字当机器时间不对的情况下,可能导致会产生重复 ID
Snowflake(雪花算法)
雪花算法是 Twitter 提出的一种分布式ID生成算法。雪花算法可以在多台机器上生成不重复的ID,支持高并发和大规模的分布式系统,但需要保证数据中心ID和机器ID的唯一性。
它的原理是将一个64位的long类型的ID分为4个部分:时间戳、数据中心ID、机器ID和序列号。
时间戳占用了42位,可以使用69年,数据中心ID和机器ID分别占用了5位,可以支持32个数据中心和32个机器,序列号占用了12位,可以支持每个节点每毫秒生成4096个ID。
细一点说:生成的64位ID可以分成5个部分:
1位符号位标识 - 41位时间戳 - 5位数据中心标识 - 5位机器标识 - 12位序列号
时间范围
2^41/(365*24*60*60*1000)=69年
工作进程数量
5+5 :区域+服务器标识2^10=1024
序列号数量
2^12=4096
分段 | 作用 | 说明 |
---|---|---|
1bit | 保留不用 | long基本类型在Java中是带符号的,最高位是符号位,正数是0,负数是1 |
41bit | 时间戳,精确到毫秒 | 存储的是时间截的差值(当前时间截 – 开始时间截),结果约等于69.73年 |
5bit | 数据中心 | 最多支持2的5次方(32)个节点 |
5bit | 机器id | 最多支持2的5次方(32)个节点 |
12bit | 毫秒内的计数器 | 每个节点每毫秒最多产生2的12次方(4096)个id |
默认情况下41bit的时间戳可以支持该算法使用到2082年,10bit的工作机器id可以支持1024台机器,序列号支持1毫秒产生4096个自增序列id 。SnowFlake的优点是,整体上按照时间自增排序,并且整个分布式系统内不会产生ID碰撞(由数据中心ID和机器ID作区分),并且效率较高,经测试,SnowFlake每秒能够产生26万ID左右
优缺点:
生成速度比较快、生成的 ID 有序递增、比较灵活依赖时间,当机器时间不对的情况下,可能导致会产生重复 ID
雪花算法的使用
IdWorker工具类
/** * Twitter的Snowflake JAVA实现方案 * 分布式自增长ID */public class IdWorker {// 时间起始标记点,作为基准,一般取系统的最近时间(一旦确定不能变动)private final static long twepoch = 1288834974657L;// 机器标识位数private final static long workerIdBits = 5L;// 数据中心标识位数private final static long datacenterIdBits = 5L;// 机器ID最大值private final static long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits);// 数据中心ID最大值private final static long maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits);// 毫秒内自增位private final static long sequenceBits = 12L;// 机器ID偏左移12位private final static long workerIdShift = sequenceBits;// 数据中心ID左移17位private final static long datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;// 时间毫秒左移22位private final static long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits;private final static long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);/* 上次生产id时间戳 */private static long lastTimestamp = -1L;// 0,并发控制private long sequence = 0L;private final long workerId;// 数据标识id部分private final long datacenterId;public IdWorker() {this.datacenterId = getDatacenterId(maxDatacenterId);this.workerId = getMaxWorkerId(datacenterId, maxWorkerId);}/** * @param workerId 工作机器ID * @param datacenterId 序列号 */public IdWorker(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;}/** * 获取下一个ID * * @return */public synchronized long nextId() {long timestamp = timeGen();if (timestamp < lastTimestamp) {throw new RuntimeException(String.format("Clock moved backwards.Refusing to generate id for %d milliseconds", lastTimestamp - timestamp));}if (lastTimestamp == timestamp) {// 当前毫秒内,则+1sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;if (sequence == 0) {// 当前毫秒内计数满了,则等待下一秒timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp);}} else {sequence = 0L;}lastTimestamp = timestamp;// ID偏移组合生成最终的ID,并返回IDlong nextId = ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift)| (datacenterId << datacenterIdShift)| (workerId << workerIdShift) | sequence;return nextId;}private long tilNextMillis(final long lastTimestamp) {long timestamp = this.timeGen();while (timestamp <= lastTimestamp) {timestamp = this.timeGen();}return timestamp;}private long timeGen() {return System.currentTimeMillis();}/** * * 获取 maxWorkerId *
*/protected static long getMaxWorkerId(long datacenterId, long maxWorkerId) {StringBuffer mpid = new StringBuffer();mpid.append(datacenterId);String name = ManagementFactory.getRuntimeMXBean().getName();if (!name.isEmpty()) {/* * GET jvmPid */mpid.append(name.split("@")[0]);}/* * MAC + PID 的 hashcode 获取16个低位 */return (mpid.toString().hashCode() & 0xffff) % (maxWorkerId + 1);}/** * * 数据标识id部分 *
*/protected static long getDatacenterId(long maxDatacenterId) {long id = 0L;try {InetAddress ip = InetAddress.getLocalHost();NetworkInterface network = NetworkInterface.getByInetAddress(ip);if (network == null) {id = 1L;} else {byte[] mac = network.getHardwareAddress();id = ((0x000000FF & (long) mac[mac.length - 1])| (0x0000FF00 & (((long) mac[mac.length - 2]) << 8))) >> 6;id = id % (maxDatacenterId + 1);}} catch (Exception e) {System.out.println(" getDatacenterId: " + e.getMessage());}return id;}public static void main(String[] args) {IdWorker idWorker = new IdWorker(0, 0);for (int i = 0; i < 10000; i++) {long nextId = idWorker.nextId();System.out.println(nextId);}}}
配置分布式ID生成器
application.ym添加配置
workerId: 0datacenterId: 0
IdWorker添加到容器
@Value("${workerId}")private Integer workerId;@Value("${datacenterId}")private Integer datacenterId;@Beanpublic IdWorker idWorker(){return new IdWorker(workerId,datacenterId);}
分布式ID方案之开源组件
uid- generator(百度)
UidGenerator是百度开源的一款基于 Snowflake的唯一 ID 生成器,是对 Snowflake进行了改进
GitHub:https://github.com/baidu/uid-generator
Tinyid(滴滴)
Tinyid是滴滴开源的一款基于数据库号段模式的唯一 ID 生成器。
GitHub: https://github.com/didi/tinyid
Leaf(美团)
Leaf是美团开源的一个分布式 ID 解决方案。提供了号段模式 和 Snowflake这两种模式来生成分布式 ID。
目前Leaf覆盖了美团点评公司内部金融、餐饮、外卖、酒店旅游、猫眼电影等众多业务线。在4C8G VM基础上,通过公司RPC方式调用,QPS压测结果近5w/s,TP999 1ms。
Leaf 设计文档: https://tech.meituan.com/2017/04/21/mt-leaf.html
GitHub:https://github.com/meituan-diaNPing/leaf
三者比较
百度:只支持雪花算法滴滴:只支持数据库号段,多DB,高可用,java- client,适合对id有高可用需求美团:号段模式和 snowflake模,适合多种场景分布式id
Leaf组件的使用
源码打包
git clone git@github.com:Meituan-Dianping/Leaf.gitcd Leafgit checkout feature/spring-boot-startermvn clean install -Dmaven.test.skip=true
引入依赖
目前Leaf最新使用2.0.1.RELEASE的starter版本
<parent><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId><version>2.0.1.RELEASE</version></parent><dependencies><dependency><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId></dependency><dependency><artifactId>leaf-boot-starter</artifactId><groupId>com.sankuai.inf.leaf</groupId><version>1.0.1-RELEASE</version></dependency><dependency><groupId>org.apache.curator</groupId><artifactId>curator-recipes</artifactId><version>2.6.0</version><exclusions><exclusion><artifactId>log4j</artifactId><groupId>log4j</groupId></exclusion></exclusions></dependency></dependencies>
Leaf配置参数
Leaf 提供两种生成的ID的方式(号段模式和snowflake模式),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)。
配置项 | 含义 | 默认值 |
---|---|---|
leaf.name | leaf | 服务名 |
leaf.segment.enable | 是否开启号段模式 | false |
leaf.jdbc.url | mysql 库地址 | |
leaf.jdbc.username | mysql 用户名 | |
leaf.jdbc.password | mysql 密码 | |
leaf.snowflake.enable | 是否开启snowflake模式 | false |
leaf.snowflake.zk.address | snowflake模式下的zk地址 | |
leaf.snowflake.port | snowflake模式下的服务注册端口 |
号段模式配置
如果使用号段模式,需要建立DB表,并配置leaf.jdbc.url, leaf.jdbc.username, leaf.jdbc.password如果不想使用该模式配置leaf.segment.enable=false即可。
CREATE DATABASE leafCREATE TABLE `leaf_alloc` (`biz_tag` varchar(128)NOT NULL DEFAULT '',`max_id` bigint(20) NOT NULL DEFAULT '1',`step` int(11) NOT NULL,`description` varchar(256)DEFAULT NULL,`update_time` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP,PRIMARY KEY (`biz_tag`)) ENGINE=InnoDB;insert into leaf_alloc(biz_tag, max_id, step, description) values('leaf-segment-test', 1, 2000, 'Test leaf Segment Mode Get Id')
在classpath下配置leaf.properties
leaf.name=com.sankuai.leaf.opensource.testleaf.segment.enable=trueleaf.segment.url=jdbc:mysql://127.0.0.1:3306/leafleaf.segment.username=rootleaf.segment.password=123456
Snowflake模式配置
算法取自twitter开源的snowflake算法。如果不想使用该模式配置leaf.snowflake.enable=false即可。
在classpath下配置leaf.properties
在leaf.properties中配置leaf.snowflake.zk.address,配置leaf 服务监听的端口leaf.snowflake.port。
leaf.snowflake.enable=trueleaf.snowflake.address=127.0.0.1leaf.snowflake.port=2181
注解启动leaf
使用@EnableLeafServer注解启动leaf
@SpringBootApplication@EnableLeafServerpublic class DistributedIdApplication {public static void main(String[] args) {SpringApplication.run(DistributedIdApplication.class, args);}}
API的使用
@RestControllerpublic class IdContoller {@Autowiredprivate SegmentService segmentService;@Autowiredprivate SnowflakeService snowflakeService;@GetMapping("/segment")public Result segment() {//segmentService.getId("leaf-segment-test").getId();return segmentService.getId("leaf-segment-test");}@GetMapping("/snowflake")public Result snowflake() {// 参数key无实际意义,受迫于统一接口的实现return snowflakeService.getId("snowflake");}}
参数key无实际意义,受迫于统一接口的实现
public interface IDGen {Result get(String var1);boolean init();} public Result getId(String key) {return this.idGen.get(key); }
号段模式中该参数key有着重要意义
号段模式测试
数据库表初始时
访问地址:http://localhost:8080/segment
请求获取id值后,号段模式提前加载
重启服务后再次访问,使用新的号段
号段模式再一次提前加载
雪花算法测试
访问地址:http://localhost:8080/snowflake