Zookeeper分布式命名服务实战

分布式命名服务

分布式API目录

分布式节点的命名

分布式的ID生成器

分布式的ID生成器方案：

基于Zookeeper实现分布式ID生成器

基于Zookeeper实现SnowFlakeID算法

分布式命名服务

命名服务是为系统中的资源提供标识能力。ZooKeeper的命名服务主要是利用ZooKeeper节点的树形分层结构和子节点的顺序维护能力，来为分布式系统中的资源命名。需要用到分布式命名服务的应用场景典型的有：分布式API目录、分布式节点命名、分布式ID生成器。

分布式API目录

为分布式系统中各种API接口服务的名称、链接地址，提供类似JNDI（Java命名和目录接口）中的文件系统的功能。借助于ZooKeeper的树形分层结构就能提供分布式的API调用功能。著名的Dubbo分布式框架就是应用了ZooKeeper的分布式的JNDI功能。在Dubbo中，使用ZooKeeper维护的全局服务接口API的地址列表。大致的思路为：

服务提供者（Service Provider）
在启动的时候，向ZooKeeper上的指定节点/dubbo/${serviceName}/providers写入自己的API地址，这个操作就相当于服务的公开。
服务消费者（Consumer）
启动的时候，订阅节点/dubbo/{serviceName}/providers下的服务提供者的URL地址，获得所有服务提供者的API。

分布式节点的命名

一个分布式系统通常会由很多的节点组成，节点的数量不是固定的，而是不断动态变化的。比如说，当业务不断膨胀和流量洪峰到来时，大量的节点可能会动态加入到集群中。而一旦流量洪峰过去了，就需要下线大量的节点。这就需要用到分布式节点的命名服务。

可用于生成集群节点的编号的方案：

1. 使用数据库的自增ID特性，用数据表存储机器的MAC地址或者IP来维护。

2. 使用ZooKeeper持久顺序节点的顺序特性来维护节点的NodeId编号。

在第2种方案中，集群节点命名服务的基本流程是：

启动节点服务，连接ZooKeeper，检查命名服务根节点是否存在，如果不存在，就创建系统的根节点。在根节点下创建一个临时顺序ZNode节点，取回ZNode的编号把它作为分布式系统中节点的NODEID。如果临时节点太多，可以根据需要删除临时顺序ZNode节点。

分布式的ID生成器

分布式系统中，分布式ID生成器的使用场景非常多，比如大量的数据记录、大量的系统消息、大量的请求日志、分布式节点的命名服务等

传统的数据库自增主键已经不能满足需求。在分布式系统环境中，需要一种全新的唯一ID系统，这种系统需要满足以下需求：

全局唯一：不能出现重复ID。

高可用：ID生成系统是基础系统，被许多关键系统调用，一旦宕机，就会造成严重影响。

分布式的ID生成器方案：

1. Java的UUID。
2. 分布式缓存Redis生成ID：利用Redis的原子操作INCR和INCRBY，生成全局唯一的ID。
3. Twitter的SnowFlake算法。
4. ZooKeeper生成ID：利用ZooKeeper的顺序节点，生成全局唯一的ID。
5. MongoDB的ObjectId:MongoDB是一个分布式的非结构化NoSQL数据库，每插入一条记录会自动生成全局唯一的一个“_id”字段值，它是一个12字节的字符串，可以作为分布式系统中全局唯一的ID。

基于Zookeeper实现分布式ID生成器

在ZooKeeper节点的四种类型中，其中有以下两种类型具备自动编号的能力：

PERSISTENT_SEQUENTIAL持久化顺序节点。

EPHEMERAL_SEQUENTIAL临时顺序节点。

ZooKeeper的每一个节点都会为它的第一级子节点维护一份顺序编号，会记录每个子节点创建的先后顺序，这个顺序编号是分布式同步的，也是全局唯一的。可以通过创建ZooKeeper的临时顺序节点的方法，生成全局唯一的ID

@Slf4j
public class IDMaker extends CuratorBaseOperations {

    private String createSeqNode(String pathPefix) throws Exception {
        CuratorFramework curatorFramework = getCuratorFramework();
        //创建一个临时顺序节点
        String destPath = curatorFramework.create()
                .creatingParentsIfNeeded()
                .withMode(CreateMode.EPHEMERAL_SEQUENTIAL)
                .forPath(pathPefix);
        return destPath;
    }

    public String  makeId(String path) throws Exception {
        String str = createSeqNode(path);
        if(null != str){
            //获取末尾的序号
            int index = str.lastIndexOf(path);
            if(index>=0){
                index+=path.length();
                return index<=str.length() ? str.substring(index):"";
            }
        }
        return str;
    }
}

@Slf4j
public class IDMakerTest {

    @Test
    public void testMarkId() throws Exception {
        IDMaker idMaker = new IDMaker();
        idMaker.init();
        String pathPrefix = "/idmarker/id-";
        //模拟5个线程创建id
        for(int i=0;i<5;i++){
            new Thread(()->{
                for (int j=0;j<10;j++){
                    String id = null;
                    try {
                        id = idMaker.makeId(pathPrefix);
                        log.info("线程{}第{}次创建id为{}",Thread.currentThread().getName(),
                                j,id);
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            },"thread"+i).start();
        }
    }
}

执行结果如下：

如果是每秒钟要几万、几十万的id，这种方案是不行的，受限于zookeeper的顺序节点写操作。

基于Zookeeper实现SnowFlakeID算法

Twitter（推特）的SnowFlake算法是一种著名的分布式服务器用户ID生成算法。SnowFlake算法所生成的ID是一个64bit的长整型数字。这个64bit被划分成四个部分，其中后面三个部分分别表示时间戳、工作机器ID、序列号。

SnowFlakeID的四个部分，具体介绍如下：

1. 第一位占用1 bit，其值始终是0，没有实际作用。

2. 时间戳占用41 bit，精确到毫秒，总共可以容纳约69年的时间。

3. 工作机器id占用10 bit，最多可以容纳1024个节点。

4. 序列号占用12 bit。这个值在同一毫秒同一节点上从0开始不断累加，最多可以累加到4095。在工作节点达到1024顶配的场景下，SnowFlake算法在同一毫秒最多可以生成的ID数量为： 1024 * 4096 =4194304，在绝大多数并发场景下都是够用的。

SnowFlake算法的优点：
1. 生成ID时不依赖于数据库，完全在内存生成，高性能和高可用性。
2. 容量大，每秒可生成几百万个ID。
3. ID呈趋势递增，后续插入数据库的索引树时，性能较高。

SnowFlake算法的缺点：

1. 依赖于系统时钟的一致性，如果某台机器的系统时钟回拨了，有可能造成ID冲突，或者ID乱序。 2. 在启动之前，如果这台机器的系统时间回拨过，那么有可能出现ID重复的危险。

基于zookeeper实现雪花算法：

public class SnowflakeIdGenerator {

    /**
     * 单例
     */
    public static SnowflakeIdGenerator instance =
            new SnowflakeIdGenerator();

    /**
     * 初始化单例
     *
     * @param workerId 节点Id,最大8091
     * @return the 单例
     */
    public synchronized void init(long workerId) {
        if (workerId > MAX_WORKER_ID) {
            // zk分配的workerId过大
            throw new IllegalArgumentException("woker Id wrong: " + workerId);
        }
        instance.workerId = workerId;
    }

    private SnowflakeIdGenerator() {

    }

    /**
     * 开始使用该算法的时间为: 2017-01-01 00:00:00
     */
    private static final long START_TIME = 1483200000000L;

    /**
     * worker id 的bit数，最多支持8192个节点
     */
    private static final int WORKER_ID_BITS = 13;

    /**
     * 序列号，支持单节点最高每毫秒的最大ID数1024
     */
    private final static int SEQUENCE_BITS = 10;

    /**
     * 最大的 worker id ，8091
     * -1 的补码（二进制全1）右移13位, 然后取反
     */
    private final static long MAX_WORKER_ID = ~(-1L << WORKER_ID_BITS);

    /**
     * 最大的序列号，1023
     * -1 的补码（二进制全1）右移10位, 然后取反
     */
    private final static long MAX_SEQUENCE = ~(-1L << SEQUENCE_BITS);

    /**
     * worker 节点编号的移位
     */
    private final static long WORKER_ID_SHIFT = SEQUENCE_BITS;

    /**
     * 时间戳的移位
     */
    private final static long TIMESTAMP_LEFT_SHIFT = WORKER_ID_BITS + SEQUENCE_BITS;

    /**
     * 该项目的worker 节点 id
     */
    private long workerId;

    /**
     * 上次生成ID的时间戳
     */
    private long lastTimestamp = -1L;

    /**
     * 当前毫秒生成的序列
     */
    private long sequence = 0L;

    /**
     * Next id long.
     *
     * @return the nextId
     */
    public Long nextId() {
        return generateId();
    }

    /**
     * 生成唯一id的具体实现
     */
    private synchronized long generateId() {
        long current = System.currentTimeMillis();

        if (current < lastTimestamp) {
            // 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，出现问题返回-1
            return -1;
        }

        if (current == lastTimestamp) {
            // 如果当前生成id的时间还是上次的时间，那么对sequence序列号进行+1
            sequence = (sequence + 1) & MAX_SEQUENCE;

            if (sequence == MAX_SEQUENCE) {
                // 当前毫秒生成的序列数已经大于最大值，那么阻塞到下一个毫秒再获取新的时间戳
                current = this.nextMs(lastTimestamp);
            }
        } else {
            // 当前的时间戳已经是下一个毫秒
            sequence = 0L;
        }

        // 更新上次生成id的时间戳
        lastTimestamp = current;

        // 进行移位操作生成int64的唯一ID

        //时间戳右移动23位
        long time = (current - START_TIME) << TIMESTAMP_LEFT_SHIFT;

        //workerId 右移动10位
        long workerId = this.workerId << WORKER_ID_SHIFT;

        return time | workerId | sequence;
    }

    /**
     * 阻塞到下一个毫秒
     */
    private long nextMs(long timeStamp) {
        long current = System.currentTimeMillis();
        while (current <= timeStamp) {
            current = System.currentTimeMillis();
        }
        return current;
    }

}