分布式全局ID生成方案

目录

一、分布式ID的特性

二、分布式ID的生成方案

1、数据库自增ID

2、批量生成ID

3、UUID

4、取当前毫秒数

5、Redis生成ID

6、类snowflake算法

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一、分布式ID的特性

• 唯一性：确保生成的ID是全网唯一的。
• 有序递增性：确保生成的ID是对于某个用户或者业务是按一定的数字有序递增的。
• 高可用性：确保任何时候都能正确的生成ID。
• 带时间：ID里面包含时间，一眼扫过去就知道哪天的交易。

二、分布式ID的生成方案

1、数据库自增ID

使用数据库的id自增策略，如 MySQL 的 auto_increment。并且可以使用两台数据库分别设置不同步长，生成不重复ID的策略来实现高可用。

优点：

（1）简单，使用数据库已有的功能

（2）能够保证唯一性

（3）数据库生成的id能够保证递增性

（4）步长固定

缺点：

（1）可用性难以保证：数据库常见架构是一主多从+读写分离，生成自增ID是写请求，主库挂了就玩不转了

（2）扩展性差，性能有上限：因为写入是单点，数据库主库的写性能决定ID的生成性能上限，并且难以扩展

改进方法：

（1）增加主库，避免写入单点

（2）数据水平切分，保证各主库生成的ID不重复

如上图所述，由1个写库变成3个写库，每个写库设置不同的auto_increment初始值，以及相同的增长步长，以保证每个数据库生成的ID是不同的（上图中库0生成0,3,6,9…，库1生成1,4,7,10，库2生成2,5,8,11…）

改进后的架构保证了可用性，但缺点是：

（1）丧失了ID生成的“绝对递增性”：先访问库0生成0,3，再访问库1生成1，可能导致在非常短的时间内，ID生成不是绝对递增的（这个问题不大，我们的目标是趋势递增，不是绝对递增）

（2）数据库的写压力依然很大，每次生成ID都要访问数据库

为了解决上述两个问题，引出了下面的常见的方案

 

2、批量生成ID

一次按需批量生成多个ID，每次生成都需要访问数据库，将数据库修改为最大的ID值，并在内存中记录当前值及最大值。

分布式系统之所以难，很重要的原因之一是“没有一个全局时钟，难以保证绝对的时序”，要想保证绝对的时序，还是只能使用单点服务，用本地时钟保证“绝对时序”。数据库写压力大，是因为每次生成ID都访问了数据库，可以使用批量的方式降低数据库写压力。

        如上图所述，数据库使用双master保证可用性，数据库中只存储当前ID的最大值，例如0。ID生成服务假设每次批量拉取6个ID，服务访问数据库，将当前ID的最大值修改为5，这样应用访问ID生成服务索要ID，ID生成服务不需要每次访问数据库，就能依次派发0,1,2,3,4,5这些ID了，当ID发完后，再将ID的最大值修改为11，就能再次派发6,7,8,9,10,11这些ID了，于是数据库的压力就降低到原来的1/6了。

优点：

（1）保证了ID生成的绝对递增有序

（2）大大的降低了数据库的压力，ID生成可以做到每秒生成几万几十万个

缺点：

（1）服务仍然是单点

（2）如果服务挂了，服务重启起来之后，继续生成ID可能会不连续，中间出现空洞（服务内存是保存着0,1,2,3,4,5，数据库中max-id是5，分配到3时，服务重启了，下次会从6开始分配，4和5就成了空洞，不过这个问题也不大）

（3）虽然每秒可以生成几万几十万个ID，但毕竟还是有性能上限，无法进行水平扩展

改进方法：

单点服务的常用高可用优化方案是“备用服务”，也叫“影子服务”，所以我们能用以下方法优化上述缺点（1）：

 

 

如上图，对外提供的服务是主服务，有一个影子服务时刻处于备用状态，当主服务挂了的时候影子服务顶上。这个切换的过程对调用方是透明的，可以自动完成，常用的技术是vip+keepalived，具体就不在这里展开。

3、UUID

算法的核心思想是结合机器的网卡、当地时间、一个随记数来生成UUID。

UUID为本地生成ID的方法，即高性能，又时延低。uuid是一种常见的方案：string ID =GenUUID();

优点：

（1）本地生成ID，不需要进行远程调用，时延低，没有高可用风险

（2）扩展性好，基本可以认为没有性能上限

缺点：

（1）无法保证趋势递增

（2）uuid过长，往往用字符串表示，作为主键建立索引查询效率低，常见优化方案为“转化为两个uint64整数存储”或者“折半存储”（折半后不能保证唯一性）

4、取当前毫秒数

uuid是一个本地算法，生成性能高，但无法保证趋势递增，且作为字符串ID检索效率低，有没有一种能保证递增的本地算法呢？

取当前毫秒数是一种常见方案：uint64 ID = GenTimeMS();

优点：

（1）本地生成ID，不需要进行远程调用，时延低

（2）生成的ID趋势递增

（3）生成的ID是整数，建立索引后查询效率高

缺点：

（1）如果并发量超过1000，会生成重复的ID

我去，这个缺点要了命了，不能保证ID的唯一性。当然，使用微秒可以降低冲突概率，但每秒最多只能生成1000000个ID，再多的话就一定会冲突了，所以使用微秒并不从根本上解决问题。

5、Redis生成ID

Redis的所有命令操作都是单线程的，本身提供像 incr 和 increby 这样的自增原子命令，所以能保证生成的 ID 肯定是唯一有序的。

• 优点：不依赖于数据库，灵活方便，且性能优于数据库；数字ID天然排序，对分页或者需要排序的结果很有帮助。
• 缺点：如果系统中没有Redis，还需要引入新的组件，增加系统复杂度；需要编码和配置的工作量比较大。

考虑到单节点的性能瓶颈，可以使用 Redis 集群来获取更高的吞吐量。假如一个集群中有5台 Redis。可以初始化每台 Redis 的值分别是1, 2, 3, 4, 5，然后步长都是 5。各个 Redis 生成的 ID 为：

A：1, 6, 11, 16, 21
B：2, 7, 12, 17, 22
C：3, 8, 13, 18, 23
D：4, 9, 14, 19, 24
E：5, 10, 15, 20, 25

随便负载到哪个机确定好，未来很难做修改。步长和初始值一定需要事先确定。使用 Redis 集群也可以方式单点故障的问题。

另外，比较适合使用 Redis 来生成每天从0开始的流水号。比如订单号 = 日期 + 当日自增长号。可以每天在 Redis 中生成一个 Key ，使用 INCR 进行累加。

6、类snowflake算法

snowflake是twitter开源的分布式ID生成算法，其核心思想是：一个long型的ID，使用其中41bit作为毫秒数，10bit作为机器编号，12bit作为毫秒内序列号。这个算法单机每秒内理论上最多可以生成1000*(2^12)，也就是400W的ID，完全能满足业务的需求。

借鉴snowflake的思想，结合各公司的业务逻辑和并发量，可以实现自己的分布式ID生成算法。

举例，假设某公司ID生成器服务的需求如下：

（1）单机高峰并发量小于1W，预计未来5年单机高峰并发量小于10W

（2）有2个机房，预计未来5年机房数量小于4个

（3）每个机房机器数小于100台

（4）目前有5个业务线有ID生成需求，预计未来业务线数量小于10个

（5）…

分析过程如下：

（1）高位取从2016年1月1日到现在的毫秒数（假设系统ID生成器服务在这个时间之后上线），假设系统至少运行10年，那至少需要10年*365天*24小时*3600秒*1000毫秒=320*10^9，差不多预留39bit给毫秒数

（2）每秒的单机高峰并发量小于10W，即平均每毫秒的单机高峰并发量小于100，差不多预留7bit给每毫秒内序列号

（3）5年内机房数小于4个，预留2bit给机房标识

（4）每个机房小于100台机器，预留7bit给每个机房内的服务器标识

（5）业务线小于10个，预留4bit给业务线标识

这样设计的64bit标识，可以保证：

（1）每个业务线、每个机房、每个机器生成的ID都是不同的

（2）同一个机器，每个毫秒内生成的ID都是不同的

（3）同一个机器，同一个毫秒内，以序列号区区分保证生成的ID是不同的

（4）将毫秒数放在最高位，保证生成的ID是趋势递增的

缺点：

（1）由于“没有一个全局时钟”，每台服务器分配的ID是绝对递增的，但从全局看，生成的ID只是趋势递增的（有些服务器的时间早，有些服务器的时间晚）

最后一个容易忽略的问题：

生成的ID，例如message-id/ order-id/ tiezi-id，在数据量大时往往需要分库分表，这些ID经常作为取模分库分表的依据，为了分库分表后数据均匀，ID生成往往有“取模随机性”的需求，所以我们通常把每秒内的序列号放在ID的最末位，保证生成的ID是随机的。

又如果，我们在跨毫秒时，序列号总是归0，会使得序列号为0的ID比较多，导致生成的ID取模后不均匀。解决方法是，序列号不是每次都归0，而是归一个0到9的随机数，这个地方。