【分布式技术专题】「分布式ID系列」百度开源的分布式高性能的唯一ID生成器UidGenerator

UidGenerator是什么

UidGenerator是百度开源的一款分布式高性能的唯一ID生成器，更详细的情况可以查看官网集成文档

uid-generator是基于Twitter开源的snowflake算法实现的一款唯一主键生成器(数据库表的主键要求全局唯一是相当重要的)。要求java8及以上版本。

snowflake算法

Snowflake算法描述：指定机器 & 同一时刻 & 某一并发序列，是唯一的。据此可生成一个64 bits的唯一ID（long）。

将long的64位分为3部分，时间戳、工作机器id和序列号，位数分配如下：

时间戳部分的时间单位一般为毫秒，也就是说1台工作机器1毫秒可产生4096个id（2的12次方）。

UidGenerator算法

与原始的snowflake算法不同，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，以应用于不同场景。

sign(1bit)：固定1bit符号标识，即生成的UID为正数。
delta seconds (28 bits)：当前时间，相对于时间基点"2016-05-20"的增量值，单位：秒，最多可支持约8.7年
worker id (22 bits)：机器id，最多可支持约420w次机器启动。内置实现为在启动时由数据库分配，默认分配策略为用后即弃，后续可提供复用策略。
sequence (13 bits)：每秒下的并发序列，13 bits可支持每秒8192个并发。

这些字段的长度可以根据具体的应用需要进行动态的调整，满足总长度为64位即可。

Snowflake和UidGenerator的对比

百度的worker id的生成策略和美团的生成策略不太一样，美团的snowflake主要利用本地配置的port和IP来唯一确定一个workid，美团的这种生成方式还是可以由于手工配置错误造成port重复，最终产生重复ID的风险，百度的这种生成方式每次都是新增的，可能会一段时间后worker id用完的情况，人工配置错误的可能性很小了。

源码分析

DefaultUidGenerator

DefaultUidGenerator的产生id的方法与基本上就是常见的snowflake算法实现，仅有一些不同，如以秒为为单位而不是毫秒。DefaultUidGenerator的产生id的方法如下。

 protected synchronized long nextId() {long currentSecond = getCurrentSecond();if (currentSecond < lastSecond) {long refusedSeconds = lastSecond - currentSecond;throw new UidGenerateException("Clock moved backwards. Refusing for %d seconds", refusedSeconds);}if (currentSecond == lastSecond) {sequence = (sequence + 1) & bitsAllocator.getMaxSequence();if (sequence == 0) {currentSecond = getNextSecond(lastSecond);}} else {sequence = 0L;}lastSecond = currentSecond;return bitsAllocator.allocate(currentSecond - epochSeconds, workerId, sequence);}

nextId方法主要负责ID的生成，这种实现方式很简单，如果毫秒数未发生变化，在序列号加一即可，毫秒数发生变化，重置Sequence为0（Leaf文章中讲过，重置为0会造成如果利用这个ID分表的时候，并发量不大的时候，sequence字段会一直为0等，会出现数据倾斜）

CachedUidGenerator

CachedUidGenerator支持缓存生成的id。

【采用RingBuffer来缓存已生成的UID, 并行化UID的生产和消费】
【UidGenerator通过借用未来时间来解决sequence天然存在的并发限制】

基本实现原理

正如名字体现的那样，这是一种缓存型的ID生成方式，当剩余ID不足的时候，会异步的方式重新生成一批ID缓存起来，后续请求的时候直接的时候直接返回现成的ID即可。

在实现上, UidGenerator通过借用未来时间来解决sequence天然存在的并发限制; 采用RingBuffer来缓存已生成的UID, 并行化UID的生产和消费, 同时对CacheLine补齐，避免了由RingBuffer带来的硬件级「伪共享」问题. 最终单机QPS可达600万。

使用RingBuffer缓存生成的id。RingBuffer是个环形数组，默认大小为8192个，里面缓存着生成的id。

CachedUidGenerator采用了双RingBuffer，Uid-RingBuffer用于存储Uid、Flag-RingBuffer用于存储Uid状态(是否可填充、是否可消费)

由于数组元素在内存中是连续分配的，可最大程度利用CPU cache以提升性能。但同时会带来「伪共享」FalseSharing问题，为此在Tail、Cursor指针、Flag-RingBuffer中采用了CacheLine 补齐方式。

获取id

会从ringbuffer中拿一个id，支持并发获取

public long getUID() {try {return ringBuffer.take();} catch (Exception e) {LOGGER.error("Generate unique id exception. ", e);throw new UidGenerateException(e);}}

RingBuffer缓存已生成的id

RingBuffer为环形数组，默认容量为sequence可容纳的最大值（8192个），可以通过boostPower参数设置大小。几个重要的数据结构，采用了RingBuffer的方式来缓存相关UID信息。

tail指针、Cursor指针用于环形数组上读写slot：

Tail指针

指向当前最后一个可用的UID位置：表示Producer生产的最大序号(此序号从0开始，持续递增)。Tail不能超过Cursor，即生产者不能覆盖未消费的slot。当Tail已赶上curosr，此时可通过rejectedPutBufferHandler指定PutRejectPolicy

Cursor指针

指向下一个获取UID的位置，其一定是小于Tail：表示Consumer消费到的最小序号(序号序列与Producer序列相同)。Cursor不能超过Tail，即不能消费未生产的slot。当Cursor已赶上tail，此时可通过rejectedTakeBufferHandler指定TakeRejectPolicy

Tail - Cursor表示的是现在可用的UID数量，当可用UID数量小于一定阈值的时候会重新添加一批新的UID在RingBuffer中。

填充id

RingBuffer填充时机
- 程序启动时，将RingBuffer填充满，缓存着8192个id
- 在调用getUID()获取id时，检测到RingBuffer中的剩余id个数小于总个数的50%，将RingBuffer填充满，使其缓存8192个id。
- 定时填充（可配置是否使用以及定时任务的周期）

因为delta seconds部分是以秒为单位的，所以1个worker 1秒内最多生成的id书为8192个（2的13次方）。从上可知，支持的最大qps为8192，所以通过缓存id来提高吞吐量。

为什么叫借助未来时间？

因为每秒最多生成8192个id，当1秒获取id数多于8192时，RingBuffer中的id很快消耗完毕，在填充RingBuffer时，生成的id的delta seconds 部分只能使用未来的时间。（因为使用了未来的时间来生成id，所以上面说的是，【最多】可支持约8.7年）

注意：这里的RingBuffer不是Disruptor框架中的RingBuffer，但是借助了很多Disruptor中RingBuffer的设计思想，比如使用缓存行填充解决伪共享问题。

填充RingBuffer

public void paddingBuffer() {LOGGER.info("Ready to padding buffer lastSecond:{}. {}", lastSecond.get(), ringBuffer);if (!running.compareAndSet(false, true)) {LOGGER.info("Padding buffer is still running. {}", ringBuffer);return;}boolean isFullRingBuffer = false;while (!isFullRingBuffer) {List uidList = uidProvider.provide(lastSecond.incrementAndGet());for (Long uid : uidList) {isFullRingBuffer = !ringBuffer.put(uid);if (isFullRingBuffer) {break;}}}running.compareAndSet(true, false);LOGGER.info("End to padding buffer lastSecond:{}. {}", lastSecond.get(), ringBuffer);}

生成id（上面代码中的uidProvider.provide调用的就是这个方法)

protected List nextIdsForOneSecond(long currentSecond) {int listSize = (int) bitsAllocator.getMaxSequence() + 1;List uidList = new ArrayList<>(listSize);long firstSeqUid = bitsAllocator.allocate(currentSecond - epochSeconds, workerId, 0L);for (int offset = 0; offset < listSize; offset++) {uidList.add(firstSeqUid + offset);}return uidList;}

RingBuffer的代码

public class RingBuffer {private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(RingBuffer.class);private static final int START_POINT = -1;private static final long CAN_PUT_FLAG = 0L;private static final long CAN_TAKE_FLAG = 1L;public static final int DEFAULT_PADDING_PERCENT = 50;private final int bufferSize;private final long indexMask;private final long[] slots;private final PaddedAtomicLong[] flags;private final AtomicLong tail = new PaddedAtomicLong(START_POINT);private final AtomicLong cursor = new PaddedAtomicLong(START_POINT);private final int paddingThreshold;private RejectedPutBufferHandler rejectedPutHandler = this::discardPutBuffer;private RejectedTakeBufferHandler rejectedTakeHandler = this::exceptionRejectedTakeBuffer;private BufferPaddingExecutor bufferPaddingExecutor;

代码层面的优化

代码中通过字节的填充，来避免伪共享的产生。

多核处理器处理相互独立的变量时，一旦这些变量处于同一个缓存行，不同变量的操作均会造成这一个缓存行失效，影响缓存的实际效果，造成很大的缓存失效的性能问题。下面图中线程处理不同的两个变量，但这两个变量的修改都会造成整个整个缓存行的失效，导致无效的加载、失效，出现了伪共享的问题

RingBuffer中通过定义一个PaddedAtomicLong来独占一个缓存行，代码中的实现填充可能需要根据具体的执行系统做一些调整，保证其独占一个缓存行即可。

take先关id的源码

下面我们来看下如何获取相关的UID

public long take() {long currentCursor = cursor.get();long nextCursor = cursor.updateAndGet(old -> old == tail.get() ? old : old + 1);Assert.isTrue(nextCursor >= currentCursor, "Curosr can't move back");long currentTail = tail.get();if (currentTail - nextCursor < paddingThreshold) {LOGGER.info("Reach the padding threshold:{}. tail:{}, cursor:{}, rest:{}", paddingThreshold, currentTail,nextCursor, currentTail - nextCursor);bufferPaddingExecutor.asyncPadding();}if (nextCursor == currentCursor) {rejectedTakeHandler.rejectTakeBuffer(this);}int nextCursorIndex = calSlotIndex(nextCursor);Assert.isTrue(flags[nextCursorIndex].get() == CAN_TAKE_FLAG, "Curosr not in can take status");long uid = slots[nextCursorIndex];flags[nextCursorIndex].set(CAN_PUT_FLAG);return uid;}

通过AtomicLong.updateAndGet来避免对整个方法进行加锁，获取一个可以访问的UID的游标值，根据这个下标获取slots中相关的uid直接返回缓存中可用的uid(Tail - Cursor)小于一定阈值的时候，需要启动另外一个线程来生成一批UID UID 的生成

public synchronized boolean put(long uid) { long currentTail = tail.get(); long currentCursor = cursor.get();

long distance = currentTail - (currentCursor == START_POINT ? 0 : currentCursor);if (distance == bufferSize - 1) {rejectedPutHandler.rejectPutBuffer(this, uid);return false;}int nextTailIndex = calSlotIndex(currentTail + 1);if (flags[nextTailIndex].get() != CAN_PUT_FLAG) {rejectedPutHandler.rejectPutBuffer(this, uid);return false;}slots[nextTailIndex] = uid;flags[nextTailIndex].set(CAN_TAKE_FLAG);tail.incrementAndGet();return true;
}

获取Tail的下标值，如果缓存区满的话直接调用RejectedPutHandler.rejectPutBuffer方法未满的话将UID放置在slots数组相应的位置上，同时将Flags数组相应的位置改为CAN_TAKE_FLAG CachedUidGenerator通过缓存的方式预先生成一批UID列表，可以解决UID获取时候的耗时，但这种方式也有不好点，一方面需要耗费内存来缓存这部分数据，另外如果访问量不大的情况下，提前生成的UID中的时间戳可能是很早之前的，DefaultUidGenerator应该在大部分的场景中就可以满足相关的需求了。

填充缓存行解决"伪共享"

关于伪共享，可以参考这篇文章《伪共享（false sharing），并发编程无声的性能杀手》

private final PaddedAtomicLong[] flags;private final AtomicLong tail = new PaddedAtomicLong(START_POINT);private final AtomicLong cursor = new PaddedAtomicLong(START_POINT)

PaddedAtomicLong的设计


public class PaddedAtomicLong extends AtomicLong {private static final long serialVersionUID = -3415778863941386253L;public volatile long p1, p2, p3, p4, p5, p6 = 7L;public PaddedAtomicLong() {super();}public PaddedAtomicLong(long initialValue) {super(initialValue);}public long sumPaddingToPreventOptimization() {return p1 + p2 + p3 + p4 + p5 + p6;}}

Spring Boot工程集成全局唯一ID生成器 UidGenerator

基础工程创建

官网集成文档

创建数据表

执行如下SQL

DROP TABLE IF EXISTS WORKER_NODE;
CREATE TABLE WORKER_NODE
(
ID BIGINT NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT 'auto increment id',
HOST_NAME VARCHAR(64) NOT NULL COMMENT 'host name',
PORT VARCHAR(64) NOT NULL COMMENT 'port',
TYPE INT NOT NULL COMMENT 'node type: ACTUAL or CONTAINER',
LAUNCH_DATE DATE NOT NULL COMMENT 'launch date',
MODIFIED TIMESTAMP NOT NULL COMMENT 'modified time',
CREATED TIMESTAMP NOT NULL COMMENT 'created time',
PRIMARY KEY(ID)
)COMMENT='DB WorkerID Assigner for UID Generator',ENGINE = INNODB;

在使用的数据库中创建表WORKER_NODE。(如果数据库版本较低,需要将TIMESTAMP类型换成datetime(3)，一劳永逸的做法就是直接将TIMESTAMP换成datetime(3))

引入Maven依赖

<dependencies><dependency><groupId>org.springframework.bootgroupId><artifactId>spring-boot-starter-webartifactId>dependency><dependency><groupId>org.mybatis.spring.bootgroupId><artifactId>mybatis-spring-boot-starterartifactId><version>2.1.0version>dependency><dependency><groupId>org.springframework.bootgroupId><artifactId>spring-boot-starter-testartifactId><scope>testscope>dependency><dependency><groupId>mysqlgroupId><artifactId>mysql-connector-javaartifactId><scope>runtimescope><version>8.0.12version>dependency><dependency><groupId>com.alibabagroupId><artifactId>druid-spring-boot-starterartifactId><version>1.1.9version>dependency><dependency><groupId>com.baidu.fsggroupId><artifactId>uid-generatorartifactId><version>1.0.0-SNAPSHOTversion>dependency>
dependencies>

互联网jar包引入(本文用的是此方式)

在maven仓库只找到了一个jar包。

<dependency><groupId>com.xfvape.uidgroupId><artifactId>uid-generatorartifactId><version>0.0.4-RELEASEversion>
dependency>

排除冲突的依赖

uid-generator中依赖了logback和mybatis。一般在项目搭建过程中，springboot中已经有了logback依赖，mybatis会作为单独的依赖引入。如果版本和uid-generator中的依赖不一致的话，就会导致冲突。为了防止出现这些问题，直接排除一劳永逸。

<dependency><groupId>com.baidu.fsggroupId><artifactId>uid-generatorartifactId><version>1.0.0-SNAPSHOTversion><exclusions><exclusion><groupId>org.mybatisgroupId><artifactId>*artifactId>exclusion>exclusions>
dependency>

排除冲突的依赖如下：(使用本地项目引入的方式也需要排除以下依赖)

<dependency><groupId>com.xfvape.uidgroupId><artifactId>uid-generatorartifactId><version>0.0.4-RELEASEversion><exclusions><exclusion><groupId>org.mybatisgroupId><artifactId>*artifactId>exclusion>exclusions>
dependency>

我这里用的是mybatis-plus，mybatis-plus官方要求的是，如果要使用mybatis-plus，就不能再单独引入mybatis了，所以我这里也是必须排除mybatis的。

配置SpringBoot核心配置

修改配置文件application.properties（注意MySQL地址、数据库名称账户等于之前建表的保持一致）

server.port=9999
spring.datasource.url=jdbc:mysql://*.*.*.*:3306/baiduUidGenerator?useUnicode=true&characterEncoding=utf-8&useSSL=false
spring.datasource.username=root
spring.datasource.password=*
spring.datasource.driver-class-name=com.mysql.jdbc.Driver
mybatis.mapper-locations=classpath:mapper/*.xml
mybatis.configuration.map-underscore-to-camel-case=true

@MapperScan的dao层接口扫描：

核心对象装配为spring的bean。

uid-generator提供了两种生成器: DefaultUidGenerator、CachedUidGenerator。

如对UID生成性能有要求, 请使用CachedUidGenerator。这里装配CachedUidGenerator，DefaultUidGenerator装配方式是一样的。

自定义DisposableWorkerIdAssigner

将源码DisposableWorkerIdAssigner类加入到自己的项目中，并将其中的mapper方法修改成自己项目中的方法与启动类同级目录新建DisposableWorkerIdAssigner内容如下


public class DisposableWorkerIdAssigner implements WorkerIdAssigner {private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(DisposableWorkerIdAssigner.class);private WorkerNodeMapper workerNodeMapper;public long assignWorkerId() {WorkerNodeEntity workerNodeEntity = buildWorkerNode();workerNodeMapper.addWorkerNode(workerNodeEntity);LOGGER.info("Add worker node:" + workerNodeEntity);return workerNodeEntity.getId();}private WorkerNodeEntity buildWorkerNode() {WorkerNodeEntity workerNodeEntity = new WorkerNodeEntity();if (DockerUtils.isDocker()) {workerNodeEntity.setType(WorkerNodeType.CONTAINER.value());workerNodeEntity.setHostName(DockerUtils.getDockerHost());workerNodeEntity.setPort(DockerUtils.getDockerPort());} else {workerNodeEntity.setType(WorkerNodeType.ACTUAL.value());workerNodeEntity.setHostName(NetUtils.getLocalAddress());workerNodeEntity.setPort(System.currentTimeMillis() + "-" + RandomUtils.nextInt(100000));}return workerNodeEntity;}
}


public class UidGeneratorConfig {public DisposableWorkerIdAssigner disposableWorkerIdAssigner(){DisposableWorkerIdAssigner disposableWorkerIdAssigner = new DisposableWorkerIdAssigner();return  disposableWorkerIdAssigner;
}public CachedUidGenerator initCachedUidGenerator(WorkerIdAssigner workerIdAssigner) {CachedUidGenerator cachedUidGenerator = new CachedUidGenerator();cachedUidGenerator.setWorkerIdAssigner(workerIdAssigner);cachedUidGenerator.setBoostPower(3);cachedUidGenerator.setPaddingFactor(50);cachedUidGenerator.setScheduleInterval(60L);return cachedUidGenerator;}
}

详细配置信息控制

public DefaultUidGenerator defaultUidGenerator(WorkerIdAssigner disposableWorkerIdAssigner) {DefaultUidGenerator defaultUidGenerator = new DefaultUidGenerator();defaultUidGenerator.setWorkerIdAssigner(disposableWorkerIdAssigner);defaultUidGenerator.setTimeBits(32);defaultUidGenerator.setWorkerBits(22);defaultUidGenerator.setSeqBits(9);defaultUidGenerator.setEpochStr("2020-01-01");return defaultUidGenerator;}public CachedUidGenerator cachedUidGenerator(WorkerIdAssigner disposableWorkerIdAssigner) {CachedUidGenerator cachedUidGenerator = new CachedUidGenerator();cachedUidGenerator.setWorkerIdAssigner(disposableWorkerIdAssigner);cachedUidGenerator.setTimeBits(32);cachedUidGenerator.setWorkerBits(22);cachedUidGenerator.setSeqBits(9);cachedUidGenerator.setEpochStr("2020-01-01");cachedUidGenerator.setBoostPower(3);cachedUidGenerator.setScheduleInterval(60L);return cachedUidGenerator;}

mapper服务接口

与启动类同级目录新建WorkerNodeMapper内容如下


public interface WorkerNodeMapper {WorkerNodeEntity getWorkerNodeByHostPort( String host,  String port);void addWorkerNode(WorkerNodeEntity workerNodeEntity);
}

WorkerNodeMapper


<mapper namespace="org.zxp.uidgeneratortest.WorkerNodeMapper"><resultMap id="workerNodeRes"type="com.baidu.fsg.uid.worker.entity.WorkerNodeEntity"><id column="ID" jdbcType="BIGINT" property="id"/><result column="HOST_NAME" jdbcType="VARCHAR" property="hostName"/><result column="PORT" jdbcType="VARCHAR" property="port"/><result column="TYPE" jdbcType="INTEGER" property="type"/><result column="LAUNCH_DATE" jdbcType="DATE" property="launchDate"/><result column="MODIFIED" jdbcType="TIMESTAMP" property="modified"/><result column="CREATED" jdbcType="TIMESTAMP" property="created"/>resultMap><insert id="addWorkerNode" useGeneratedKeys="true" keyProperty="id"parameterType="com.baidu.fsg.uid.worker.entity.WorkerNodeEntity">INSERT INTO WORKER_NODE(HOST_NAME,PORT,TYPE,LAUNCH_DATE,MODIFIED,CREATED)VALUES (#{hostName},#{port},#{type},#{launchDate},NOW(),NOW())insert><select id="getWorkerNodeByHostPort" resultMap="workerNodeRes">SELECTID,HOST_NAME,PORT,TYPE,LAUNCH_DATE,MODIFIED,CREATEDFROMWORKER_NODEWHEREHOST_NAME = #{host} AND PORT = #{port}select>
mapper>

创建UidGenService逻辑类


public class UidGenService {private UidGenerator uidGenerator;public long getUid() {return uidGenerator.getUID();}
}

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