分布式主键ID生成策略

news2024/9/20 14:58:37

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业务系统对分布式ID的要求

唯一性：在分布式系统中，每个节点都需要生成唯一的标识符来确保数据的唯一性。传统的单点生成ID方式无法满足分布式环境下的需求，而分布式ID能够在整个系统中保证每个节点生成的ID都是唯一的。
顺序性：某些场景下，需要生成的ID具有一定的顺序性，例如按时间顺序记录事件或日志。分布式ID生成策略能够在保证唯一性的同时，尽可能地保持ID的顺序性，方便对数据进行排序和分析。
性能：分布式ID生成策略通常被设计为高性能的方案，能够在高并发的情况下快速生成ID。这对于分布式系统中大量的并行操作和高频率的请求是至关重要的，以确保系统的吞吐量和响应时间。
可扩展性：在分布式系统中，节点数量可能会随着系统的扩展而增加。使用分布式ID可以避免单点生成ID的瓶颈，并且能够轻松地扩展到更多的节点，以适应系统的增长和负载的增加。
无依赖性：分布式ID生成策略通常是独立于外部资源或服务的，因此不需要依赖特定的数据库或其他中心化的组件。这使得系统更加灵活和独立，减少了对外部资源的依赖性和单点故障的风险。

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)
美团Leaf
滴滴TinyID

UUID

UUID（Universally Unique Identifier）是一种标识符，用于在分布式系统中生成唯一的标识值。它是由一组字母和数字组成的128位（16字节）的字符串，通常以连字符分隔成五段，形如：aa82878d-60cb-4a01-9719-b4af90490fbd

优点：唯一性、简单易用、高性能(基于本地算法生成)
缺点：长度较长，浪费存储空间、可读性差、无序性、不支持自增

数据库自增

假设在一个大型电商项目中，将订单表拆分放在db_0、db_1的两个数据库中，其中db_0数据库中有t_order_01、t_order_02两张订单表，db_1数据库中也有t_order_03、t_order_04两张订单表，如果使用数据库自增来生成分布式ID，那么t_order_01、t_order_02、t_order_03、t_order_04的默认值分别是：1、2、3、4，每次插入数据时的步长是4。如下图所示

虽然数据库的自增看起来是没问题的，但是如果继续扩容是一件很麻烦的事情，因为要重新设置步长，如一开始是4张订单表，步长为4，后面将订单表扩容为8，那么步长就变成8，并且还需要将旧数据重新迁移。

号段模式

设计一个专门生成号段的ID生成器，一般是一个单独的服务或者模块，在该服务中维护生成区段号的表，表结构如下，max_id是当前id的最大值，step是步长，一次请求过来，则返回[max_id + 1,max_id + step]的区间，biz_type是业务类型

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'
  PRIMARY KEY (`id`)
)

当需要ID时则向ID生成器请求一个区段，ID生成器则根据max_id和step计算一个号段返回，如[max_id + 1,max_id + step]

优点：高效性、并发性、可扩展

缺点：ID的使用不连续，造成资源浪费、号段的分配和更新需要进行协调和管理，增加了系统的复杂性和管理成本

Redis实现

在Redis中创建一个计数器，通过Redis的原子性操作来生成递增的ID

优点：由于Redis是基于内存操作的，具有高性能、高并发性、可通过搭建Redis集群来支撑更大规模和高负载的系统

缺点：单点故障、需引进Redis组件

雪花算法(SnowFlake)

雪花算法是Sharding-jdbc默认的分布式ID生成算法，由64bit的整数组成，结构如下图所示，可分成4部分

第一部分的1bit是符号位，0表示是正数，1表示负数，一般都是0
第二部分41bit是时间戳，记录生成ID的时间戳，精确到毫秒级。可以有2的41次方种组合，可以使用时间大概是59年。
第三部分的10bit是工作节点ID，表示在同一毫秒内生成的ID的节点标识。可以分配给不同的节点，最多可以有1024个不同的节点。
第四部分的12bit是序列号，表示同一毫秒内生成的自增序列号。如果在同一毫秒内生成的ID超过了4096个，会等到下一毫秒再继续生成。
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。

美团(Leaf)

Leaf提供两种生成ID的模式，分别是号段模式(Leaf-segment)和snowflake模式(Leaf-snowflake）

号段模式

美团Leaf的号段模式对上面讲的号段模式做了优化，在服务端与数据库之间增加了Leaf中间层，由Leaf中间层事先向数据库获取一批ID段缓存起来，当服务端需要获取ID时，直接从Leaf中间层的内存中获取即可。虽然增加了Leaf中间层解决了数据库压力问题，但是当Leaf缓存中的ID用完时，就需要向数据库获取新的号段，这次请求会显得很耗时，为了解决这个问题，美团 Leaf 采用了「双 Buffer + 预加载」的策略，即在内存中维护两个 ID 段，并在上一个 ID 段使用达到 10% 的时候去预加载。

Leafsnowflake方案

Leafsnowflake是美团基于SnowFlake雪花算法设计的，解决了雪花算法的时钟回拨问题。美团 Leaf 引入了 zookeeper 来解决时钟回拨问题，其大致思路为：每个 Leaf 运行时定时向 zk 上报时间戳。每次 Leaf 服务启动时，先校验本机时间与上次发 ID 的时间，再校验与 zk 上所有节点的平均时间戳。如果任何一个阶段有异常，那么就启动失败报警。