一起学习下一线大厂的分布式唯一ID生成方案！
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2021-04-06 18:53
分布式系统中我们会对一些数据量大的业务进行分拆，如：用户表，订单表。因为数据量巨大一张表无法承接，就会对其进行分库分表。
但一旦涉及到分库分表，就会引申出分布式系统中唯一主键ID的生成问题，永不迁移数据和避免热点的文章中要求需要唯一ID的特性：
整个系统ID唯一 ID是数字类型，而且是趋势递增的 ID简短，查询效率快
什么是递增？ 如：第一次生成的ID为12，下一次生成的ID是13，再下一次生成的ID是14。这个就是生成ID递增。
什么是趋势递增？ 如：在一段时间内，生成的ID是递增的趋势。如：再一段时间内生成的ID在【0，1000】之间，过段时间生成的ID在【1000，2000】之间。但在【0-1000】区间内的时候，ID生成有可能第一次是12，第二次是10，第三次是14。
那有什么方案呢？往下看！
二、分布式ID的几种生成方案
2.1、UUID
这个方案是小伙伴们第一个能过考虑到的方案
优点：
代码实现简单。 本机生成，没有性能问题 因为是全球唯一的ID，所以迁移数据容易
缺点：
每次生成的ID是无序的，无法保证趋势递增 UUID的字符串存储，查询效率慢 存储空间大 ID本事无业务含义，不可读
应用场景：
类似生成token令牌的场景 不适用一些要求有趋势递增的ID场景
2.2、MySQL主键自增
这个方案就是利用了MySQL的主键自增auto_increment，默认每次ID加1。
优点：
数字化，id递增 查询效率高 具有一定的业务可读
缺点：
存在单点问题，如果mysql挂了，就没法生成iD了 数据库压力大，高并发抗不住
2.3、MySQL多实例主键自增
这个方案就是解决mysql的单点问题，在auto_increment基本上面，设置step步长
每台的初始值分别为1,2,3...N，步长为N（这个案例步长为4）
优点：
解决了单点问题
缺点：
一旦把步长定好后，就无法扩容；而且单个数据库的压力大，数据库自身性能无法满足高并发
应用场景：
数据不需要扩容的场景
2.4、雪花snowflake算法
这个算法网上介绍了很多。雪花算法生成64位的二进制正整数，然后转换成10进制的数。64位二进制数由如下部分组成：
1位标识符：始终是0 41位时间戳：41位时间截不是存储当前时间的时间截，而是存储时间截的差值（当前时间截 - 开始时间截 )得到的值，这里的的开始时间截，一般是我们的id生成器开始使用的时间，由我们程序来指定的 10位机器标识码：可以部署在1024个节点，如果机器分机房（IDC）部署，这10位可以由 5位机房ID + 5位机器ID 组成 12位序列：毫秒内的计数，12位的计数顺序号支持每个节点每毫秒(同一机器，同一时间截)产生4096个ID序号
优点：
此方案每秒能够产生409.6万个ID，性能快 时间戳在高位，自增序列在低位，整个ID是趋势递增的，按照时间有序递增 灵活度高，可以根据业务需求，调整bit位的划分，满足不同的需求
缺点：
依赖机器的时钟，如果服务器时钟回拨，会导致重复ID生成
在分布式场景中，服务器时钟回拨会经常遇到，一般存在10ms之间的回拨；小伙伴们就说这点10ms，很短可以不考虑吧。但此算法就是建立在毫秒级别的生成方案，一旦回拨，就很有可能存在重复ID。
2.5、Redis生成方案
利用redis的incr原子性操作自增，一般算法为：
年份 + 当天距当年第多少天 + 天数 + 小时 + redis自增
优点：
有序递增，可读性强
缺点：
占用带宽，每次要向redis进行请求
整体测试了这个性能如下：
需求：同时10万个请求获取ID1、并发执行完耗时：9s左右
2、单任务平均耗时：74ms
3、单线程最小耗时：不到1ms
4、单线程最大耗时：4.1s
性能还可以，如果对性能要求不是太高的话，这个方案基本符合要求。
但不完全符合希望id从 1 开始趋势递增。（当然算法可以调整为 就一个 redis自增，不需要什么年份，多少天等）。
2.6、小结
以上介绍了常见的几种分布式ID生成方案。一线大厂的分布式ID方案绝没有这个简单，他们对高并发，高可用的要求很高。
如Redis方案中，每次都要去Redis去请求，有网络请求耗时，并发强依赖了Redis。这个设计是有风险的，一旦Redis挂了，整个系统不可用。
而且一线大厂也会考虑到ID安全性的问题，如：Redis方案中，用户是可以预测下一个ID号是多少，因为算法是递增的。
这样的话竞争对手第一天中午12点下个订单，就可以看到平台的订单ID是多少，第二天中午12点再下一单，又平台订单ID到多少。这样就可以猜到平台1天能产生多少订单了，这个是绝对不允许的，公司绝密啊。
三、一线大厂是如何设计的呢?
一线大厂的设计思路其实和小伙伴们思路差不多，只是多想了1～2层，设计上面多了1～2个环节。
3.1、改造数据库主键自增
上述我们介绍了利用数据库的自增主键的特性，可以实现分布式ID；这个ID比较简短明了，适合做userId，正好符合如何永不迁移数据和避免热点? 根据服务器指标分配数据量(揭秘篇)文章中的ID的需求。但这个方案有严重的问题：
一旦步长定下来，不容易扩容 数据库压力山大
小伙伴们看看怎么优化这个方案。先看数据库压力大，为什么压力大？是因为我们每次获取ID的时候，都要去数据库请求一次。那我们可以不可以不要每次去取？
思路我们可以请求数据库得到ID的时候，可设计成获得的ID是一个ID区间段。
我们看上图，有张ID规则表：
1、id表示为主键，无业务含义。
2、biz_tag为了表示业务，因为整体系统中会有很多业务需要生成ID，这样可以共用一张表维护
3、max_id表示现在整体系统中已经分配的最大ID
4、desc描述
5、update_time表示每次取的ID时间
我们再来看看整体流程：
1、【用户服务】在注册一个用户时，需要一个用户ID；会请求【生成ID服务(是独立的应用)】的接口
2、【生成ID服务】会去查询数据库，找到user_tag的id，现在的max_id为0，step=1000
3、【生成ID服务】把max_id和step返回给【用户服务】；并且把max_id更新为max_id = max_id + step，即更新为1000
4、【用户服务】获得max_id=0，step=1000；
5、 这个用户服务可以用ID=【max_id + 1，max_id+step】区间的ID，即为【1，1000】
6、【用户服务】会把这个区间保存到jvm中
7、【用户服务】需要用到ID的时候，在区间【1，1000】中依次获取id，可采用AtomicLong中的getAndIncrement方法。
8、如果把区间的值用完了，再去请求【生产ID服务】接口，获取到max_id为1000，即可以用【max_id + 1，max_id+step】区间的ID，即为【1001，2000】
这个方案就非常完美的解决了数据库自增的问题，而且可以自行定义max_id的起点，和step步长，非常方便扩容。
而且也解决了数据库压力的问题，因为在一段区间内，是在jvm内存中获取的，而不需要每次请求数据库。即使数据库宕机了，系统也不受影响，ID还能维持一段时间。
3.2、竞争问题
以上方案中，如果是多个用户服务，同时获取ID，同时去请求【ID服务】，在获取max_id的时候会存在并发问题。
如用户服务A，取到的max_id=1000 ;用户服务B取到的也是max_id=1000，那就出现了问题，Id重复了。那怎么解决？
其实方案很多，加分布式锁，保证同一时刻只有一个用户服务获取max_id。当然也可以用数据库自身的锁去解决。
为什么阿里不允许用Executors创建线程池，而是通过ThreadPoolExecutor的方式？
利用事务方式加行锁，上面的语句，在没有执行完之前，是不允许第二个用户服务请求过来的，第二个请求只能阻塞。
3.3、突发阻塞问题
上图中，多个用户服务获取到了各自的ID区间，在高并发场景下，ID用的很快，如果3个用户服务在某一时刻都用完了，同时去请求【ID服务】。因为上面提到的竞争问题，所有只有一个用户服务去操作数据库，其他二个会被阻塞。
小伙伴就会问，有这么巧吗？同时ID用完。我们这里举的是3个用户服务，感觉概率不大；如果是100个用户服务呢？概率是不是一下子大了。
出现的现象就是一会儿突然系统耗时变长，一会儿好了，就是这个原因导致的，怎么去解决？
3.4、双buffer方案
在一般的系统设计中，双buffer会经常看到，怎么去解决上面的问题也可以采用双buffer方案。
在设计的时候，采用双buffer方案，上图的流程：
1、当前获取ID在buffer1中，每次获取ID在buffer1中获取
2、当buffer1中的Id已经使用到了100，也就是达到区间的10%
3、达到了10%，先判断buffer2中有没有去获取过，如果没有就立即发起请求获取ID线程，此线程把获取到的ID，设置到buffer2中。
4、如果buffer1用完了，会自动切换到buffer2
5、buffer2用到10%了，也会启动线程再次获取，设置到buffer1中
6、依次往返
双buffer的方案，小伙伴们有没有感觉很酷，这样就达到了业务场景用的ID，都是在jvm内存中获得的，从此不需要到数据库中获取了。允许数据库宕机时间更长了。
因为会有一个线程，会观察什么时候去自动获取。两个buffer之间自行切换使用。就解决了突发阻塞的问题。
四、总结
此方案是某团使用的分布式ID算法，小伙伴们如果想了解更深，可以去网上搜下，这里应该介绍了比较详细了。
当然此方案美团还做了一些别的优化，监控ID使用频率，自动设置步长step，从而达到对ID节省使用。
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