分布式ID

分布式 ID（Distributed ID）是指在分布式系统中生成全局唯一的标识符，用于标识不同实体或数据对象。在分布式系统中，由于数据存储、计算和处理都分散在不同的节点上，因此需要一个可靠的方式来跟踪和标识这些数据对象。

分布式ID最低要求：

全局唯一 ：ID 的全局唯一性肯定是首先要满足的高性能 ： 分布式 ID 的生成速度要快，对本地资源消耗要小高可用 ：生成分布式 ID 的服务要保证可用性无限接近于 100%方便易用 ：拿来即用，使用方便，快速接入

优秀的分布式 ID

安全 ：ID 中不包含敏感信息有序递增 ：如果ID存放在数据库，ID的有序性可以提升数据库写入速度。有利于ID来进行排序有具体的业务含义 ：生成的 ID 如果能有具体的业务含义，可以让定位问题以及开发更透明化（通过 ID 就能确定是哪个业务）独立部署 ：分布式系统单独有一个发号器服务，专门用来生成分布式 ID

分布式ID方案之数据库

数据库主键自增

数据库自增ID是在数据库中创建表时，通过设置一个自增的ID字段来实现的。每当插入一条记录时，数据库会自动为该记录生成一个唯一的ID。

数据库自增ID可以很好地保证ID的唯一性，但在高并发和大规模的分布式系统中，容易出现瓶颈和性能问题。同时，由于数据库自增ID只能在单个数据库中保证唯一性，因此需要通过分库分表等方式来支持多台机器上的生成。

简言之：

简单方便，有序递增，方便排序和分页并发性能不高,受限于数据库性能分库分表,需改造,较复杂自增数据量泄露

数据库号段模式

数据库主键自增这种模式，每次获取 ID 都要访问一次数据库，数据库压力大。因此，可以批量获取，然后存在内存里面，需要用到的时候，直接从内存里面拿来使用

主键自增

1,2,3......

号段模式：每请求一次分配一个号段

100,200,3001...100,101...200,201...300

号段模式相比主键自增而言: 性能提高且自增

Redis自增

Redis 可以通过自增命令来实现分布式 ID 的生成。常用的方法是使用 Redis 的自增命令 INCR，将一个特定的 key 自增，并将其作为 ID 返回。这种方法是线程安全的，可以在分布式系统中使用

即使有AOF和RDB，但是依然会存在数据丢失的可能，有可能会造成ID重复性能不错并且生成的 ID 是有序递增的，但是自增存在数据量泄露

MongoDB

MongoDB ObjectId是MongoDB数据库中的一个内置数据类型，用于唯一标识MongoDB文档（Document）。

它由12个字节组成，其中前4个字节表示时间戳，接下来3个字节表示机器ID，然后2个字节表示进程ID，最后3个字节表示随机值。

优缺点：

生成的 ID 是有序递增的当机器时间不对的情况下，可能导致会产生重复 IDID生成有规律性，存在安全性问题

分布式ID方案之算法

UUID

UUID是一种通用唯一识别码，它是由一组算法和标准组成的，可以保证在全球范围内唯一性。UUID不依赖于任何中心节点，可以在分布式系统中很好地保证ID的唯一性。缺点是它生成的ID比较长，不利于索引和查询

开放软件基金会(OSF)规范定义了包括网卡MAC地址、时间戳、名字空间（Namespace）、随机或伪随机数、时序等元素。利用这些元素来生成UUID。

优缺点：

通过本地生成，没有经过网络I/O，性能较快无序，无法预测他的生成顺序存储消耗空间大（32 个字符串，128 位）不能生成递增有序的数字当机器时间不对的情况下，可能导致会产生重复 ID

Snowflake(雪花算法)

雪花算法是 Twitter 提出的一种分布式ID生成算法。雪花算法可以在多台机器上生成不重复的ID，支持高并发和大规模的分布式系统，但需要保证数据中心ID和机器ID的唯一性。

它的原理是将一个64位的long类型的ID分为4个部分：时间戳、数据中心ID、机器ID和序列号。

时间戳占用了42位，可以使用69年，数据中心ID和机器ID分别占用了5位，可以支持32个数据中心和32个机器，序列号占用了12位，可以支持每个节点每毫秒生成4096个ID。

细一点说：生成的64位ID可以分成5个部分：

1位符号位标识 - 41位时间戳 - 5位数据中心标识 - 5位机器标识 - 12位序列号

时间范围

2^41/(365*24*60*60*1000)=69年

工作进程数量

5+5 :区域+服务器标识2^10=1024

序列号数量

2^12=4096

分段	作用	说明
1bit	保留不用	long基本类型在Java中是带符号的，最高位是符号位，正数是0，负数是1
41bit	时间戳，精确到毫秒	存储的是时间截的差值（当前时间截 - 开始时间截)，结果约等于69.73年
5bit	数据中心	最多支持2的5次方（32）个节点
5bit	机器id	最多支持2的5次方（32）个节点
12bit	毫秒内的计数器	每个节点每毫秒最多产生2的12次方（4096）个id

默认情况下41bit的时间戳可以支持该算法使用到2082年，10bit的工作机器id可以支持1024台机器，序列号支持1毫秒产生4096个自增序列id 。SnowFlake的优点是，整体上按照时间自增排序，并且整个分布式系统内不会产生ID碰撞(由数据中心ID和机器ID作区分)，并且效率较高，经测试，SnowFlake每秒能够产生26万ID左右

优缺点：

生成速度比较快、生成的 ID 有序递增、比较灵活依赖时间，当机器时间不对的情况下，可能导致会产生重复 ID

雪花算法的使用

IdWorker工具类

/*** Twitter的Snowflake　JAVA实现方案* 分布式自增长ID*/
public class IdWorker {// 时间起始标记点，作为基准，一般取系统的最近时间（一旦确定不能变动）private final static long twepoch = 1288834974657L;// 机器标识位数private final static long workerIdBits = 5L;// 数据中心标识位数private final static long datacenterIdBits = 5L;// 机器ID最大值private final static long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits);// 数据中心ID最大值private final static long maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits);// 毫秒内自增位private final static long sequenceBits = 12L;// 机器ID偏左移12位private final static long workerIdShift = sequenceBits;// 数据中心ID左移17位private final static long datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;// 时间毫秒左移22位private final static long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits;private final static long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);/* 上次生产id时间戳 */private static long lastTimestamp = -1L;// 0，并发控制private long sequence = 0L;private final long workerId;// 数据标识id部分private final long datacenterId;public IdWorker() {this.datacenterId = getDatacenterId(maxDatacenterId);this.workerId = getMaxWorkerId(datacenterId, maxWorkerId);}/*** @param workerId     工作机器ID* @param datacenterId 序列号*/public IdWorker(long workerId, long datacenterId) {if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0) {throw new IllegalArgumentException(String.format("worker Id can't be greater than %d or less than 0", maxWorkerId));}if (datacenterId > maxDatacenterId || datacenterId < 0) {throw new IllegalArgumentException(String.format("datacenter Id can't be greater than %d or less than 0", maxDatacenterId));}this.workerId = workerId;this.datacenterId = datacenterId;}/*** 获取下一个ID** @return*/public synchronized long nextId() {long timestamp = timeGen();if (timestamp < lastTimestamp) {throw new RuntimeException(String.format("Clock moved backwards.  Refusing to generate id for %d milliseconds", lastTimestamp - timestamp));}if (lastTimestamp == timestamp) {// 当前毫秒内，则+1sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;if (sequence == 0) {// 当前毫秒内计数满了，则等待下一秒timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp);}} else {sequence = 0L;}lastTimestamp = timestamp;// ID偏移组合生成最终的ID，并返回IDlong nextId = ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift)| (datacenterId << datacenterIdShift)| (workerId << workerIdShift) | sequence;return nextId;}private long tilNextMillis(final long lastTimestamp) {long timestamp = this.timeGen();while (timestamp <= lastTimestamp) {timestamp = this.timeGen();}return timestamp;}private long timeGen() {return System.currentTimeMillis();}/*** <p>* 获取 maxWorkerId* </p>*/protected static long getMaxWorkerId(long datacenterId, long maxWorkerId) {StringBuffer mpid = new StringBuffer();mpid.append(datacenterId);String name = ManagementFactory.getRuntimeMXBean().getName();if (!name.isEmpty()) {/** GET jvmPid*/mpid.append(name.split("@")[0]);}/** MAC + PID 的 hashcode 获取16个低位*/return (mpid.toString().hashCode() & 0xffff) % (maxWorkerId + 1);}/*** <p>* 数据标识id部分* </p>*/protected static long getDatacenterId(long maxDatacenterId) {long id = 0L;try {InetAddress ip = InetAddress.getLocalHost();NetworkInterface network = NetworkInterface.getByInetAddress(ip);if (network == null) {id = 1L;} else {byte[] mac = network.getHardwareAddress();id = ((0x000000FF & (long) mac[mac.length - 1])| (0x0000FF00 & (((long) mac[mac.length - 2]) << 8))) >> 6;id = id % (maxDatacenterId + 1);}} catch (Exception e) {System.out.println(" getDatacenterId: " + e.getMessage());}return id;}public static void main(String[] args) {IdWorker idWorker = new IdWorker(0, 0);for (int i = 0; i < 10000; i++) {long nextId = idWorker.nextId();System.out.println(nextId);}}}

配置分布式ID生成器

application.ym添加配置

workerId: 0
datacenterId: 0

IdWorker添加到容器

	@Value("${workerId}")private Integer workerId;
​@Value("${datacenterId}")private Integer datacenterId;
​@Beanpublic IdWorker idWorker(){return new IdWorker(workerId,datacenterId);}

分布式ID方案之开源组件

uid- generator(百度)

UidGenerator是百度开源的一款基于 Snowflake的唯一 ID 生成器，是对 Snowflake进行了改进

GitHub:https://github.com/baidu/uid-generator

Tinyid（滴滴）

Tinyid是滴滴开源的一款基于数据库号段模式的唯一 ID 生成器。

GitHub: https://github.com/didi/tinyid

Leaf（美团）

Leaf是美团开源的一个分布式 ID 解决方案。提供了号段模式 和 Snowflake这两种模式来生成分布式 ID。

目前Leaf覆盖了美团点评公司内部金融、餐饮、外卖、酒店旅游、猫眼电影等众多业务线。在4C8G VM基础上，通过公司RPC方式调用，QPS压测结果近5w/s，TP999 1ms。

Leaf 设计文档： https://tech.meituan.com/2017/04/21/mt-leaf.html

GitHub:https://github.com/meituan-diaNPing/leaf

三者比较

百度:只支持雪花算法滴滴:只支持数据库号段,多DB,高可用,java- client，适合对id有高可用需求美团:号段模式和 snowflake模，适合多种场景分布式id

Leaf组件的使用

源码打包

git clone git@github.com:Meituan-Dianping/Leaf.git
cd Leaf
git checkout feature/spring-boot-starter
mvn clean install -Dmaven.test.skip=true 

引入依赖

目前Leaf最新使用2.0.1.RELEASE的starter版本

    <parent><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId><version>2.0.1.RELEASE</version></parent><dependencies><dependency><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId></dependency><!--引入源码编译打包安装到本地的Leaf--><dependency><artifactId>leaf-boot-starter</artifactId><groupId>com.sankuai.inf.leaf</groupId><version>1.0.1-RELEASE</version></dependency><!--zk--><dependency><groupId>org.apache.curator</groupId><artifactId>curator-recipes</artifactId><version>2.6.0</version><exclusions><exclusion><artifactId>log4j</artifactId><groupId>log4j</groupId></exclusion></exclusions></dependency></dependencies>

Leaf配置参数

Leaf 提供两种生成的ID的方式（号段模式和snowflake模式），可以同时开启两种方式，也可以指定开启某种方式（默认两种方式为关闭状态）。

配置项	含义	默认值
leaf.name	leaf	服务名
leaf.segment.enable	是否开启号段模式	false
leaf.jdbc.url	mysql 库地址
leaf.jdbc.username	mysql 用户名
leaf.jdbc.password	mysql 密码
leaf.snowflake.enable	是否开启snowflake模式	false
leaf.snowflake.zk.address	snowflake模式下的zk地址
leaf.snowflake.port	snowflake模式下的服务注册端口

号段模式配置

如果使用号段模式，需要建立DB表，并配置leaf.jdbc.url, leaf.jdbc.username, leaf.jdbc.password如果不想使用该模式配置leaf.segment.enable=false即可。

CREATE DATABASE leafCREATE TABLE `leaf_alloc` (`biz_tag` varchar(128)  NOT NULL DEFAULT '',`max_id` bigint(20) NOT NULL DEFAULT '1',`step` int(11) NOT NULL,`description` varchar(256)  DEFAULT NULL,`update_time` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP,PRIMARY KEY (`biz_tag`)
) ENGINE=InnoDB;insert into leaf_alloc(biz_tag, max_id, step, description) values('leaf-segment-test', 1, 2000, 'Test leaf Segment Mode Get Id')

在classpath下配置leaf.properties

leaf.name=com.sankuai.leaf.opensource.test
leaf.segment.enable=true
leaf.segment.url=jdbc:mysql://127.0.0.1:3306/leaf
leaf.segment.username=root
leaf.segment.password=123456

Snowflake模式配置

算法取自twitter开源的snowflake算法。如果不想使用该模式配置leaf.snowflake.enable=false即可。

在classpath下配置leaf.properties

在leaf.properties中配置leaf.snowflake.zk.address，配置leaf 服务监听的端口leaf.snowflake.port。

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

注解启动leaf

使用@EnableLeafServer注解启动leaf

@SpringBootApplication
@EnableLeafServer
public class DistributedIdApplication {public static void main(String[] args) {SpringApplication.run(DistributedIdApplication.class, args);}
}

API的使用

@RestController
public class IdContoller {@Autowiredprivate SegmentService segmentService;@Autowiredprivate SnowflakeService snowflakeService;@GetMapping("/segment")public Result segment() {
//        segmentService.getId("leaf-segment-test").getId();return segmentService.getId("leaf-segment-test");}@GetMapping("/snowflake")public Result snowflake() {// 参数key无实际意义,受迫于统一接口的实现return snowflakeService.getId("snowflake");}
}

参数key无实际意义,受迫于统一接口的实现

public interface IDGen {Result get(String var1);boolean init();
}public Result getId(String key) {return this.idGen.get(key);} 

号段模式中该参数key有着重要意义

号段模式测试

数据库表初始时

访问地址：http://localhost:8080/segment

请求获取id值后，号段模式提前加载

重启服务后再次访问，使用新的号段

号段模式再一次提前加载

雪花算法测试

访问地址：http://localhost:8080/snowflake