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一口气说出9种分布式ID生成方式，面试官有点懵了

 2022-10-27    450  

前两天公众号有个粉丝给我留言吐槽最近面试：“四哥，年前我在公司受点委屈一冲动就裸辞了，然后现在疫情严重两个多月还没找到工作，接了几个视频面试也都没下文。好多面试官问完一个问题，紧接着说还会其他解决方法吗？能干活解决bug不就行了吗？那还得会多少种方法？”

面试官应该是对应聘者的回答不太满意，他想听到一个他认为最优的解决方案，其实这无可厚非。同样一个bug，能用一行代码解决问题的人和用十行代码解决问题的人，你会选哪个入职？显而易见的事情！所以看待问题还是要从多个角度出发，每种方法都有各自的利弊。

一、为什么要用分布式ID？

在说分布式ID的具体实现之前，我们来简单分析一下为什么用分布式ID？分布式ID应该满足哪些特征？

1、什么是分布式ID？

拿MySQL数据库举个栗子：

在我们业务数据量不大的时候，单库单表完全可以支撑现有业务，数据再大一点搞个MySQL主从同步读写分离也能对付。

但随着数据日渐增长，主从同步也扛不住了，就需要对数据库进行分库分表，但分库分表后需要有一个唯一ID来标识一条数据，数据库的自增ID显然不能满足需求；特别一点的如订单、优惠券也都需要有唯一ID做标识。此时一个能够生成全局唯一ID的系统是非常必要的。那么这个全局唯一ID就叫分布式ID。

2、那么分布式ID需要满足那些条件？

  • 全局唯一：必须保证ID是全局性唯一的，基本要求
  • 高性能：高可用低延时，ID生成响应要块，否则反倒会成为业务瓶颈
  • 高可用：100%的可用性是骗人的，但是也要无限接近于100%的可用性
  • 好接入：要秉着拿来即用的设计原则，在系统设计和实现上要尽可能的简单
  • 趋势递增：最好趋势递增，这个要求就得看具体业务场景了，一般不严格要求

二、 分布式ID都有哪些生成方式？

今天主要分析一下以下9种，分布式ID生成器方式以及优缺点：

  • UUID
  • 数据库自增ID
  • 数据库多主模式
  • 号段模式
  • Redis
  • 雪花算法（SnowFlake）
  • 滴滴出品（TinyID）
  • 百度 （Uidgenerator）
  • 美团（Leaf）

那么它们都是如何实现？以及各自有什么优缺点？我们往下看

图片源自网络

以上图片源自网络，如有侵权联系删除

1、基于UUID

在Java的世界里，想要得到一个具有唯一性的ID，首先被想到可能就是UUID，毕竟它有着全球唯一的特性。那么UUID可以做分布式ID吗？答案是可以的，但是并不推荐！

publicstaticvoidmain(String[]args){
Stringuuid=UUID.randomUUID().toString().replaceAll("-","");
System.out.println(uuid);
}

UUID的生成简单到只有一行代码，输出结果 c2b8c2b9e46c47e3b30dca3b0d447718，但UUID却并不适用于实际的业务需求。像用作订单号UUID这样的字符串没有丝毫的意义，看不出和订单相关的有用信息；而对于数据库来说用作业务主键ID，它不仅是太长还是字符串，存储性能差查询也很耗时，所以不推荐用作分布式ID。

优点：

  • 生成足够简单，本地生成无网络消耗，具有唯一性

缺点：

  • 无序的字符串，不具备趋势自增特性
  • 没有具体的业务含义
  • 长度过长16 字节128位，36位长度的字符串，存储以及查询对MySQL的性能消耗较大，MySQL官方明确建议主键要尽量越短越好，作为数据库主键 UUID 的无序性会导致数据位置频繁变动，严重影响性能。

2、基于数据库自增ID

基于数据库的auto_increment自增ID完全可以充当分布式ID，具体实现：需要一个单独的MySQL实例用来生成ID，建表结构如下：

CREATEDATABASE`SEQ_ID`;
CREATETABLESEQID.SEQUENCE_ID(
idbigint(20)unsignedNOTNULLauto_increment,
valuechar(10)NOTNULLdefault'',
PRIMARYKEY(id),
)ENGINE=MyISAM;
insertintoSEQUENCE_ID(value)VALUES('values');

当我们需要一个ID的时候，向表中插入一条记录返回主键ID，但这种方式有一个比较致命的缺点，访问量激增时MySQL本身就是系统的瓶颈，用它来实现分布式服务风险比较大，不推荐！

优点：

  • 实现简单，ID单调自增，数值类型查询速度快

缺点：

  • DB单点存在宕机风险，无法扛住高并发场景

3、基于数据库集群模式

前边说了单点数据库方式不可取，那对上边的方式做一些高可用优化，换成主从模式集群。害怕一个主节点挂掉没法用，那就做双主模式集群，也就是两个Mysql实例都能单独的生产自增ID。

那这样还会有个问题，两个MySQL实例的自增ID都从1开始，会生成重复的ID怎么办？

解决方案：设置起始值和自增步长

MySQL_1 配置：

set@@auto_increment_offset=1;--起始值
set@@auto_increment_increment=2;--步长

MySQL_2 配置：

set@@auto_increment_offset=2;--起始值
set@@auto_increment_increment=2;--步长

这样两个MySQL实例的自增ID分别就是：

1、3、5、7、9

2、4、6、8、10

那如果集群后的性能还是扛不住高并发咋办？就要进行MySQL扩容增加节点，这是一个比较麻烦的事。

在这里插入图片描述

从上图可以看出，水平扩展的数据库集群，有利于解决数据库单点压力的问题，同时为了ID生成特性，将自增步长按照机器数量来设置。

增加第三台MySQL实例需要人工修改一、二两台MySQL实例的起始值和步长，把第三台机器的ID起始生成位置设定在比现有最大自增ID的位置远一些，但必须在一、二两台MySQL实例ID还没有增长到第三台MySQL实例的起始ID值的时候，否则自增ID就要出现重复了，必要时可能还需要停机修改。

优点：

  • 解决DB单点问题

缺点：

  • 不利于后续扩容，而且实际上单个数据库自身压力还是大，依旧无法满足高并发场景。

4、基于数据库的号段模式

号段模式是当下分布式ID生成器的主流实现方式之一，号段模式可以理解为从数据库批量的获取自增ID，每次从数据库取出一个号段范围，例如 (1,1000] 代表1000个ID，具体的业务服务将本号段，生成1~1000的自增ID并加载到内存。表结构如下：

CREATETABLEid_generator(
idint(10)NOTNULL,
max_idbigint(20)NOTNULLCOMMENT'当前最大id',
stepint(20)NOTNULLCOMMENT'号段的布长',
biz_typeint(20)NOTNULLCOMMENT'业务类型',
versionint(20)NOTNULLCOMMENT'版本号',
PRIMARYKEY(`id`)
)

biz_type ：代表不同业务类型

max_id ：当前最大的可用id

step ：代表号段的长度

version ：是一个乐观锁，每次都更新version，保证并发时数据的正确性

id biz_type max_id step version
1 101 1000 2000 0

等这批号段ID用完，再次向数据库申请新号段，对max_id字段做一次update操作，update max_id= max_id + step，update成功则说明新号段获取成功，新的号段范围是(max_id ,max_id +step]。

updateid_generatorsetmax_id=#{max_id+step},versionversion=version+1whereversion=#{version}andbiz_type=XXX

由于多业务端可能同时操作，所以采用版本号version乐观锁方式更新，这种分布式ID生成方式不强依赖于数据库，不会频繁的访问数据库，对数据库的压力小很多。

5、基于Redis模式

Redis也同样可以实现，原理就是利用redis的 incr命令实现ID的原子性自增。

127.0.0.1:6379>setseq_id1//初始化自增ID为1
OK
127.0.0.1:6379>incrseq_id//增加1，并返回递增后的数值
(integer)2

用redis实现需要注意一点，要考虑到redis持久化的问题。redis有两种持久化方式RDB和AOF

  • RDB会定时打一个快照进行持久化，假如连续自增但redis没及时持久化，而这会Redis挂掉了，重启Redis后会出现ID重复的情况。
  • AOF会对每条写命令进行持久化，即使Redis挂掉了也不会出现ID重复的情况，但由于incr命令的特殊性，会导致Redis重启恢复的数据时间过长。

6、基于雪花算法（Snowflake）模式

雪花算法（Snowflake）是twitter公司内部分布式项目采用的ID生成算法，开源后广受国内大厂的好评，在该算法影响下各大公司相继开发出各具特色的分布式生成器。

在这里插入图片描述

以上图片源自网络，如有侵权联系删除

Snowflake生成的是Long类型的ID，一个Long类型占8个字节，每个字节占8比特，也就是说一个Long类型占64个比特。

Snowflake ID组成结构：正数位（占1比特）+ 时间戳（占41比特）+ 机器ID（占5比特）+ 数据中心（占5比特）+ 自增值（占12比特），总共64比特组成的一个Long类型。

  • 第一个bit位（1bit）：Java中long的最高位是符号位代表正负，正数是0，负数是1，一般生成ID都为正数，所以默认为0。
  • 时间戳部分（41bit）：毫秒级的时间，不建议存当前时间戳，而是用（当前时间戳 – 固定开始时间戳）的差值，可以使产生的ID从更小的值开始；41位的时间戳可以使用69年，(1L << 41) / (1000L * 60 * 60 * 24 * 365) = 69年
  • 工作机器id（10bit）：也被叫做workId，这个可以灵活配置，机房或者机器号组合都可以。
  • 序列号部分（12bit），自增值支持同一毫秒内同一个节点可以生成4096个ID

根据这个算法的逻辑，只需要将这个算法用Java语言实现出来，封装为一个工具方法，那么各个业务应用可以直接使用该工具方法来获取分布式ID，只需保证每个业务应用有自己的工作机器id即可，而不需要单独去搭建一个获取分布式ID的应用。

Java版本的Snowflake算法实现：

/**
*Twitter的SnowFlake算法,使用SnowFlake算法生成一个整数，然后转化为62进制变成一个短地址URL
*
*https://github.com/beyondfengyu/SnowFlake
*/
publicclassSnowFlakeShortUrl{
/**
*起始的时间戳
*/
privatefinalstaticlongSTART_TIMESTAMP=1480166465631L;
/**
*每一部分占用的位数
*/
privatefinalstaticlongSEQUENCE_BIT=12;//序列号占用的位数
privatefinalstaticlongMACHINE_BIT=5;//机器标识占用的位数
privatefinalstaticlongDATA_CENTER_BIT=5;//数据中心占用的位数
/**
*每一部分的最大值
*/
privatefinalstaticlongMAX_SEQUENCE=-1L^(-1L<<SEQUENCE_BIT);
privatefinalstaticlongMAX_MACHINE_NUM=-1L^(-1L<<MACHINE_BIT);
privatefinalstaticlongMAX_DATA_CENTER_NUM=-1L^(-1L<<DATA_CENTER_BIT);
/**
*每一部分向左的位移
*/
privatefinalstaticlongMACHINE_LEFT=SEQUENCE_BIT;
privatefinalstaticlongDATA_CENTER_LEFT=SEQUENCE_BIT+MACHINE_BIT;
privatefinalstaticlongTIMESTAMP_LEFT=DATA_CENTER_LEFT+DATA_CENTER_BIT;
privatelongdataCenterId;//数据中心
privatelongmachineId;//机器标识
privatelongsequence=0L;//序列号
privatelonglastTimeStamp=-1L;//上一次时间戳
privatelonggetNextMill(){
longmill=getNewTimeStamp();
while(mill<=lastTimeStamp){
mill=getNewTimeStamp();
}
returnmill;
}
privatelonggetNewTimeStamp(){
returnSystem.currentTimeMillis();
}
/**
*根据指定的数据中心ID和机器标志ID生成指定的序列号
*
*@paramdataCenterId数据中心ID
*@parammachineId机器标志ID
*/
publicSnowFlakeShortUrl(longdataCenterId,longmachineId){
if(dataCenterId>MAX_DATA_CENTER_NUM||dataCenterId<0){
thrownewIllegalArgumentException("DtaCenterIdcan'tbegreaterthanMAX_DATA_CENTER_NUMorlessthan0！");
}
if(machineId>MAX_MACHINE_NUM||machineId<0){
thrownewIllegalArgumentException("MachineIdcan'tbegreaterthanMAX_MACHINE_NUMorlessthan0！");
}
this.dataCenterId=dataCenterId;
this.machineId=machineId;
}
/**
*产生下一个ID
*
*@return
*/
publicsynchronizedlongnextId(){
longcurrTimeStamp=getNewTimeStamp();
if(currTimeStamp<lastTimeStamp){
thrownewRuntimeException("Clockmovedbackwards.Refusingtogenerateid");
}
if(currTimeStamp==lastTimeStamp){
//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){
currTimeStamp=getNextMill();
}
}else{
//不同毫秒内，序列号置为0
sequence=0L;
}
lastTimeStamp=currTimeStamp;
return(currTimeStamp-START_TIMESTAMP)<<TIMESTAMP_LEFT//时间戳部分
|dataCenterId<<DATA_CENTER_LEFT//数据中心部分
|machineId<<MACHINE_LEFT//机器标识部分
|sequence;//序列号部分
}
publicstaticvoidmain(String[]args){
SnowFlakeShortUrlsnowFlake=newSnowFlakeShortUrl(2,3);
for(inti=0;i<(1<<4);i++){
//10进制
System.out.println(snowFlake.nextId());
}
}
}

7、百度（uid-generator）

uid-generator是由百度技术部开发，项目GitHub地址 https://github.com/baidu/uid-generator

uid-generator是基于Snowflake算法实现的，与原始的snowflake算法不同在于，uid-generator支持自定义时间戳、工作机器ID和 序列号 等各部分的位数，而且uid-generator中采用用户自定义workId的生成策略。

uid-generator需要与数据库配合使用，需要新增一个WORKER_NODE表。当应用启动时会向数据库表中去插入一条数据，插入成功后返回的自增ID就是该机器的workId数据由host，port组成。

对于uid-generator ID组成结构：

workId，占用了22个bit位，时间占用了28个bit位，序列化占用了13个bit位，需要注意的是，和原始的snowflake不太一样，时间的单位是秒，而不是毫秒，workId也不一样，而且同一应用每次重启就会消费一个workId。

参考文献

https://github.com/baidu/uid-generator/blob/master/README.zh_cn.md

8、美团（Leaf）

Leaf由美团开发，github地址：https://github.com/Meituan-Dianping/Leaf

Leaf同时支持号段模式和snowflake算法模式，可以切换使用。

号段模式

先导入源码 https://github.com/Meituan-Dianping/Leaf ，在建一张表leaf_alloc

DROPTABLEIFEXISTS`leaf_alloc`;
CREATETABLE`leaf_alloc`(
`biz_tag`varchar(128)NOTNULLDEFAULT''COMMENT'业务key',
`max_id`bigint(20)NOTNULLDEFAULT'1'COMMENT'当前已经分配了的最大id',
`step`int(11)NOTNULLCOMMENT'初始步长，也是动态调整的最小步长',
`description`varchar(256)DEFAULTNULLCOMMENT'业务key的描述',
`update_time`timestampNOTNULLDEFAULTCURRENT_TIMESTAMPONUPDATECURRENT_TIMESTAMPCOMMENT'数据库维护的更新时间',
PRIMARYKEY(`biz_tag`)
)ENGINE=InnoDB;

然后在项目中开启号段模式，配置对应的数据库信息，并关闭snowflake模式

leaf.name=com.sankuai.leaf.opensource.test
leaf.segment.enable=true
leaf.jdbc.url=jdbc:mysql://localhost:3306/leaf_test?useUnicode=true&characterEncoding=utf8&characterSetResults=utf8
leaf.jdbc.username=root
leaf.jdbc.password=root
leaf.snowflake.enable=false
#leaf.snowflake.zk.address=
#leaf.snowflake.port=

启动leaf-server 模块的 LeafServerApplication项目就跑起来了

号段模式获取分布式自增ID的测试url ：http：//localhost：8080/api/segment/get/leaf-segment-test

监控号段模式：http://localhost:8080/cache

snowflake模式

Leaf的snowflake模式依赖于ZooKeeper，不同于原始snowflake算法也主要是在workId的生成上，Leaf中workId是基于ZooKeeper的顺序Id来生成的，每个应用在使用Leaf-snowflake时，启动时都会都在Zookeeper中生成一个顺序Id，相当于一台机器对应一个顺序节点，也就是一个workId。

leaf.snowflake.enable=true
leaf.snowflake.zk.address=127.0.0.1
leaf.snowflake.port=2181

snowflake模式获取分布式自增ID的测试url：http://localhost:8080/api/snowflake/get/test

9、滴滴（Tinyid）

Tinyid由滴滴开发，Github地址：https://github.com/didi/tinyid。

Tinyid是基于号段模式原理实现的与Leaf如出一辙，每个服务获取一个号段（1000,2000]、（2000,3000]、（3000,4000]

在这里插入图片描述

Tinyid提供http和tinyid-client两种方式接入

Http方式接入

（1）导入Tinyid源码：

git clone https://github.com/didi/tinyid.git

（2）创建数据表：

CREATETABLE`tiny_id_info`(
`id`bigint(20)unsignedNOTNULLAUTO_INCREMENTCOMMENT'自增主键',
`biz_type`varchar(63)NOTNULLDEFAULT''COMMENT'业务类型，唯一',
`begin_id`bigint(20)NOTNULLDEFAULT'0'COMMENT'开始id，仅记录初始值，无其他含义。初始化时begin_id和max_id应相同',
`max_id`bigint(20)NOTNULLDEFAULT'0'COMMENT'当前最大id',
`step`int(11)DEFAULT'0'COMMENT'步长',
`delta`int(11)NOTNULLDEFAULT'1'COMMENT'每次id增量',
`remainder`int(11)NOTNULLDEFAULT'0'COMMENT'余数',
`create_time`timestampNOTNULLDEFAULT'2010-01-0100:00:00'COMMENT'创建时间',
`update_time`timestampNOTNULLDEFAULT'2010-01-0100:00:00'COMMENT'更新时间',
`version`bigint(20)NOTNULLDEFAULT'0'COMMENT'版本号',
PRIMARYKEY(`id`),
UNIQUEKEY`uniq_biz_type`(`biz_type`)
)ENGINE=InnoDBAUTO_INCREMENT=1DEFAULTCHARSET=utf8COMMENT'id信息表';
CREATETABLE`tiny_id_token`(
`id`int(11)unsignedNOTNULLAUTO_INCREMENTCOMMENT'自增id',
`token`varchar(255)NOTNULLDEFAULT''COMMENT'token',
`biz_type`varchar(63)NOTNULLDEFAULT''COMMENT'此token可访问的业务类型标识',
`remark`varchar(255)NOTNULLDEFAULT''COMMENT'备注',
`create_time`timestampNOTNULLDEFAULT'2010-01-0100:00:00'COMMENT'创建时间',
`update_time`timestampNOTNULLDEFAULT'2010-01-0100:00:00'COMMENT'更新时间',
PRIMARYKEY(`id`)
)ENGINE=InnoDBAUTO_INCREMENT=1DEFAULTCHARSET=utf8COMMENT'token信息表';
INSERTINTO`tiny_id_info`(`id`,`biz_type`,`begin_id`,`max_id`,`step`,`delta`,`remainder`,`create_time`,`update_time`,`version`)
VALUES
(1,'test',1,1,100000,1,0,'2018-07-2123:52:58','2018-07-2223:19:27',1);
INSERTINTO`tiny_id_info`(`id`,`biz_type`,`begin_id`,`max_id`,`step`,`delta`,`remainder`,`create_time`,`update_time`,`version`)
VALUES
(2,'test_odd',1,1,100000,2,1,'2018-07-2123:52:58','2018-07-2300:39:24',3);
INSERTINTO`tiny_id_token`(`id`,`token`,`biz_type`,`remark`,`create_time`,`update_time`)
VALUES
(1,'0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c','test','1','2017-12-1416:36:46','2017-12-1416:36:48');
INSERTINTO`tiny_id_token`(`id`,`token`,`biz_type`,`remark`,`create_time`,`update_time`)
VALUES
(2,'0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c','test_odd','1','2017-12-1416:36:46','2017-12-1416:36:48');

（3）配置数据库：

datasource.tinyid.names=primary
datasource.tinyid.primary.driver-class-name=com.mysql.jdbc.Driver
datasource.tinyid.primary.url=jdbc:mysql://ip:port/databaseName?autoReconnect=true&useUnicode=true&characterEncoding=UTF-8
datasource.tinyid.primary.username=root
datasource.tinyid.primary.password=123456

（4）启动tinyid-server后测试

获取分布式自增ID:http://localhost:9999/tinyid/id/nextIdSimple?bizType=test&token=0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c'
返回结果:3
批量获取分布式自增ID:
http://localhost:9999/tinyid/id/nextIdSimple?bizType=test&token=0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c&batchSize=10'
返回结果:4,5,6,7,8,9,10,11,12,13

Java客户端方式接入

重复Http方式的（2）（3）操作

引入依赖 

<dependency>
<groupId>com.xiaoju.uemc.tinyid</groupId>
<artifactId>tinyid-client</artifactId>
<version>${tinyid.version}</version>
</dependency>

配置文件

tinyid.server=localhost:9999
tinyid.token=0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c

test 、tinyid.token是在数据库表中预先插入的数据，test 是具体业务类型，tinyid.token表示可访问的业务类型

//获取单个分布式自增ID
Longid=TinyId.nextId("test");
//按需批量分布式自增ID
List<Long>ids=TinyId.nextId("test",10);

总结

本文只是简单介绍一下每种分布式ID生成器，旨在给大家一个详细学习的方向，每种生成方式都有它自己的优缺点，具体如何使用还要看具体的业务需求。

  •  标签：  
  • MySQL
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