一、分布式系统带来ID生成挑战

在分布式系统中，往往需要对大量的数据如订单、账户进行标识，以一个有意义的有序的序列号来作为全局唯一的ID。

而分布式系统中我们对ID生成器要求又有哪些呢?

• 全局唯一性：不能出现重复的ID号，既然是唯一标识，这是最基本的要求。

• 递增：比较低要求的条件为趋势递增，即保证下一个ID一定大于上一个ID，而比较苛刻的要求是连续递增，如1,2,3等等。

• 高可用高性能：ID生成事关重大，一旦挂掉系统崩溃;高性能是指必须要在压测下表现良好，如果达不到要求则在高并发环境下依然会导致系统瘫痪。

二、业内方案简介

1. UUID方案

优点：

1. 能够保证独立性，程序可以在不同的数据库间迁移，效果不受影响。

2. 保证生成的ID不仅是表独立的，而且是库独立的，这点在你想切分数据库的时候尤为重要。

缺点：

1. 性能问题：UUID太长，通常以36长度的字符串表示，对MySQL索引不利：如果作为数据库主键，在InnoDB引擎下，UUID的无序性可能会引起数据位置频繁变动，严重影响性能。

2. UUID无业务含义：很多需要ID能标识业务含义的地方不使用。

3. 不满足递增要求。

2. snowflake方案

snowflake是twitter开源的分布式ID生成系统。 Twitter每秒有数十万条消息的请求，每条消息都必须分配一条唯一的id，这些id还需要一些大致的顺序(方便客户端排序)，并且在分布式系统中不同机器产生的id必须不同。

snowflake的结构如下(每部分用-分开):

0 - 0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0 - 00000 - 00000 – 000000000000

第一位为未使用，接下来的41位为毫秒级时间(41位的长度可以使用69年)，然后是5位datacenterId和5位workerId(10位的长度最多支持部署1024个节点) ，最后12位是毫秒内的计数(12位的计数顺序号支持每个节点每毫秒产生4096个ID序号)

一共加起来刚好64位，为一个Long型。

snowflake生成的ID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datacenter和workerId作区分)，并且效率较高。snowflake的缺点是：

1. 强依赖时钟，如果主机时间回拨，则会造成重复ID

2. ID虽然有序，但是不连续

snowflake现在有较好的改良方案，比如美团点评开源的分布式ID框架：leaf，通过使用ZooKeeper解决了时钟依赖问题。

3. 基于数据库方案

利用数据库生成ID是最常见的方案。能够确保ID全数据库唯一。其优缺点如下：

优点：

1. 非常简单，利用现有数据库系统的功能实现，成本小，有DBA专业维护。

2. ID单调自增。

缺点：

1. 不同数据库语法和实现不同，数据库迁移的时候或多数据库版本支持的时候需要处理。

2. 在单个数据库或读写分离或一主多从的情况下，只有一个主库可以生成。有单点故障的风险。

3. 在性能达不到要求的情况下，比较难于扩展。

4. 如果涉及多个系统需要合并或者数据迁移会比较麻烦。

5. 分表分库的时候会有麻烦。

4.其他方案简介

通过Redis生成ID(主要通过redis的自增函数)、ZooKeeper生成ID、MongoDB的ObjectID等均可实现唯一性的要求。

三、我们在实际应用中使用的方案

1. 方案简介

实际业务中，除了分布式ID全局唯一之外，还有是否趋势/连续递增的要求。根据具体业务需求的不同，有两种可选方案。

一是只保证全局唯一，不保证连续递增。二是既保证全局唯一，又保证连续递增。

2. 基于ZooKeeper和本地缓存的方案

基于zookeeper分布式ID实现方案有很多种，本方案只使用ZooKeeper作为分段节点协调工具。每台服务器首先从zookeeper缓存一段，如1-1000的id。

此时zk上保存最大值1000，每次获取的时候都会进行判断，如果id小于本地最大值，即id<=1000，则更新本地的当前值，如果id大于本地当前值，比如说是1001，则会将从zk再获取下一个id数据段并在本地缓存。获取数据段的时候需要更新zk节点数据，更新的时候使用curator的分布式锁来实现。

由于id是从本机获取，因此本方案的优点是性能非常好。缺点是如果多主机负载均衡，则会出现不连续的id，当然将递增区段设置为1也能保证连续的id，但是效率会受到很大影响。

实现关键源码如下：

import org.apache.curator.framework.CuratorFramework;
import org.apache.curator.framework.CuratorFrameworkFactory;
import org.apache.curator.framework.recipes.locks.InterProcessSemaphoreMutex;
import org.apache.curator.retry.ExponentialBackoffRetry;
import org.apache.zookeeper.CreateMode;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

/**
 * 根据开源项目mycat实现基于zookeeper的递增序列号
 * 


* 只要配置好ZK地址和表名的如下属性
* MINID 某线程当前区间内最小值
* MAXID 某线程当前区间内最大值
* CURID 某线程当前区间内当前值
*
* @author wangwanbin
* @version 1.0
* @time 2017/9/1
*/
public class ZKCachedSequenceHandler extends SequenceHandler {
   protected static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(ZKCachedSequenceHandler.class);
   private static final String KEY_MIN_NAME = ".MINID";// 1
   private static final String KEY_MAX_NAME = ".MAXID";// 10000
   private static final String KEY_CUR_NAME = ".CURID";// 888
   private final static long PERIOD = 1000;//每次缓存的ID段数量
   private static ZKCachedSequenceHandler instance = new ZKCachedSequenceHandler();
   /**
    * 私有化构造方法,单例模式
    */
   private ZKCachedSequenceHandler() {
   }
   /**
    * 获取sequence工具对象的唯一方法
    *
    * @return
    */
   public static ZKCachedSequenceHandler getInstance() {
       return instance;
   }
   private Map> tableParaValMap = null;
   private CuratorFramework client;
   private InterProcessSemaphoreMutex interProcessSemaphore = null;
   public void loadZK() {
       try {
           this.client = CuratorFrameworkFactory.newClient(zkAddress, new ExponentialBackoffRetry(1000, 3));
           this.client.start();
       } catch (Exception e) {
           LOGGER.error("Error caught while initializing ZK:" + e.getCause());
       }
   }
   public Map getParaValMap(String prefixName) {
       if (tableParaValMap == null) {
           try {
               loadZK();
               fetchNextPeriod(prefixName);
           } catch (Exception e) {
               LOGGER.error("Error caught while loding configuration within current thread:" + e.getCause());
           }
       }
       Map paraValMap = tableParaValMap.get(prefixName);
       return paraValMap;
   }
   public Boolean fetchNextPeriod(String prefixName) {
       try {
           Stat stat = this.client.checkExists().forPath(PATH + "/" + prefixName + SEQ);
           if (stat == null || (stat.getDataLength() == 0)) {
               try {
                   client.create().creatingParentsIfNeeded().withMode(CreateMode.PERSISTENT)
                           .forPath(PATH + "/" + prefixName + SEQ, String.valueOf(0).getBytes());
               } catch (Exception e) {
                   LOGGER.debug("Node exists! Maybe other instance is initializing!");
               }
           }
           if (interProcessSemaphore == null) {
               interProcessSemaphore = new InterProcessSemaphoreMutex(client, PATH + "/" + prefixName + SEQ);
           }
           interProcessSemaphore.acquire();
           if (tableParaValMap == null) {
               tableParaValMap = new ConcurrentHashMap<>();
           }
           Map paraValMap = tableParaValMap.get(prefixName);
           if (paraValMap == null) {
               paraValMap = new ConcurrentHashMap<>();
               tableParaValMap.put(prefixName, paraValMap);
           }
           long now = Long.parseLong(new String(client.getData().forPath(PATH + "/" + prefixName + SEQ)));
           client.setData().forPath(PATH + "/" + prefixName + SEQ, ((now + PERIOD) + "").getBytes());
           if (now == 1) {
               paraValMap.put(prefixName + KEY_MAX_NAME, PERIOD + "");
               paraValMap.put(prefixName + KEY_MIN_NAME, "1");
               paraValMap.put(prefixName + KEY_CUR_NAME, "0");
           } else {
               paraValMap.put(prefixName + KEY_MAX_NAME, (now + PERIOD) + "");
               paraValMap.put(prefixName + KEY_MIN_NAME, (now) + "");
               paraValMap.put(prefixName + KEY_CUR_NAME, (now) + "");
           }
       } catch (Exception e) {
           LOGGER.error("Error caught while updating period from ZK:" + e.getCause());
       } finally {
           try {
               interProcessSemaphore.release();
           } catch (Exception e) {
               LOGGER.error("Error caught while realeasing distributed lock" + e.getCause());
           }
       }
       return true;
   }
   public Boolean updateCURIDVal(String prefixName, Long val) {
       Map paraValMap = tableParaValMap.get(prefixName);
       if (paraValMap == null) {
           throw new IllegalStateException("ZKCachedSequenceHandler should be loaded first!");
       }
       paraValMap.put(prefixName + KEY_CUR_NAME, val + "");
       return true;
   }
   /**
    * 获取自增ID
    *
    * @param sequenceEnum
    * @return
    */
   @Override
   public synchronized long nextId(SequenceEnum sequenceEnum) {
       String prefixName = sequenceEnum.getCode();
       Map paraMap = this.getParaValMap(prefixName);
       if (null == paraMap) {
           throw new RuntimeException("fetch Param Values error.");
       }
       Long nextId = Long.parseLong(paraMap.get(prefixName + KEY_CUR_NAME)) + 1;
       Long maxId = Long.parseLong(paraMap.get(prefixName + KEY_MAX_NAME));
       if (nextId > maxId) {
           fetchNextPeriod(prefixName);
           return nextId(sequenceEnum);
       }
       updateCURIDVal(prefixName, nextId);
       return nextId.longValue();
   }
   public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException {
       long startTime = System.currentTimeMillis();   //获取开始时间
       final ZKCachedSequenceHandler sequenceHandler = getInstance();
       sequenceHandler.loadZK();
       new Thread() {
           public void run() {
               long startTime2 = System.currentTimeMillis();   //获取开始时间
               for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                   System.out.println("线程1 " + sequenceHandler.nextId(SequenceEnum.ACCOUNT));
               }
               long endTime2 = System.currentTimeMillis(); //获取结束时间
              System.out.println("程序运行时间1：" + (endTime2 - startTime2) + "ms");
           }
       }.start();
       for (int i = 0; i < 5000; i++) {
           System.out.println("线程2 " + sequenceHandler.nextId(SequenceEnum.ACCOUNT));
       }
       long endTime = System.currentTimeMillis(); //获取结束时间
      System.out.println("程序运行时间2：" + (endTime - startTime) + "ms");
   }
}

可以看到，由于不需要进行过多的网络消耗，缓存式的zk协调方案性能相当了得，生成10000个id仅需553ms(两个线程耗时较长者) , 平均每个id消耗0.05ms。

 3.利用zk的永久自增节点策略实现持续递增ID

使用zk的永久sequence策略创建节点，并获取返回值，然后删除前一个节点，这样既防止zk服务器存在过多的节点，又提高了效率；节点删除采用线程池来统一处理，提高响应速度。

优点：能创建连续递增的ID。

关键实现代码如下：

package com.zb.p2p.utils;

import com.zb.p2p.enums.SequenceEnum;
import org.apache.commons.pool2.PooledObject;
import org.apache.commons.pool2.PooledObjectFactory;
import org.apache.commons.pool2.impl.DefaultPooledObject;
import org.apache.commons.pool2.impl.GenericObjectPool;
import org.apache.commons.pool2.impl.GenericObjectPoolConfig;
import org.apache.curator.framework.CuratorFramework;
import org.apache.curator.framework.CuratorFrameworkFactory;
import org.apache.curator.retry.ExponentialBackoffRetry;
import org.apache.zookeeper.CreateMode;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.Iterator;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * 基于zk的永久型自增节点PERSISTENT_SEQUENTIAL实现
 * 每次生成节点后会使用线程池执行删除节点任务
 * Created by wangwanbin on 2017/9/5.
 */
public class ZKIncreaseSequenceHandler extends SequenceHandler implements PooledObjectFactory {
    protected static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(ZKCachedSequenceHandler.class);
    private static ZKIncreaseSequenceHandler instance = new ZKIncreaseSequenceHandler();
    private static ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(1);
    private GenericObjectPool genericObjectPool;
    private Queue preNodes = new ConcurrentLinkedQueue<>();
    private static String ZK_ADDRESS = ""; //192.168.0.65
    private static String PATH = "";//  /sequence/p2p
    private static String SEQ = "";//seq;
    /**
     * 私有化构造方法,单例模式
     */
    private ZKIncreaseSequenceHandler() {
        GenericObjectPoolConfig config = new GenericObjectPoolConfig();
        config.setMaxTotal(4);
        genericObjectPool = new GenericObjectPool(this, config);
    }
    /**
     * 获取sequence工具对象的唯一方法
     *
     * @return
     */
    public static ZKIncreaseSequenceHandler getInstance(String zkAddress, String path, String seq) {
        ZK_ADDRESS = zkAddress;
        PATH = path;
        SEQ = seq;
        return instance;
    }
    @Override
    public long nextId(final SequenceEnum sequenceEnum) {
        String result = createNode(sequenceEnum.getCode());
        final String idstr = result.substring((PATH + "/" + sequenceEnum.getCode() + "/" + SEQ).length());
        final long id = Long.parseLong(idstr);
        preNodes.add(id);
        //删除上一个节点
        fixedThreadPool.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Iterator iterator = preNodes.iterator();
                if (iterator.hasNext()) {
                    long preNode = iterator.next();
                    if (preNode < id) {
                        final String format = "%0" + idstr.length() + "d";
                        String preIdstr = String.format(format, preNode);
                        final String prePath = PATH + "/" + sequenceEnum.getCode() + "/" + SEQ + preIdstr;
                        CuratorFramework client = null;
                        try {
                            client = (CuratorFramework) genericObjectPool.borrowObject();
                            client.delete().forPath(prePath);
                            preNodes.remove(preNode);
                        } catch (Exception e) {
                            LOGGER.error("delete preNode error", e);
                        } finally {
                            if (client != null)
                                genericObjectPool.returnObject(client);
                        }
                    }
                }
            }
        });
        return id;
    }
    private String createNode(String prefixName) {
        CuratorFramework client = null;
        try {
            client = (CuratorFramework) genericObjectPool.borrowObject();
            String result = client.create().creatingParentsIfNeeded().withMode(CreateMode.PERSISTENT_SEQUENTIAL)
                    .forPath(PATH + "/" + prefixName + "/" + SEQ, String.valueOf(0).getBytes());
            return result;
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException("create zookeeper node error", e);
        } finally {
            if (client != null)
                genericObjectPool.returnObject(client);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);
        long startTime = System.currentTimeMillis();   //获取开始时间
        final ZKIncreaseSequenceHandler sequenceHandler = ZKIncreaseSequenceHandler.getInstance("192.168.0.65", "/sequence/p2p", "seq");
        int count = 10;
        final CountDownLatch cd = new CountDownLatch(count);
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            executorService.execute(new Runnable() {
                public void run() {
                    System.out.printf("线程 %s %d \n", Thread.currentThread().getId(), sequenceHandler.nextId(SequenceEnum.ORDER));
                    cd.countDown();
                }
            });
        }
        try {
            cd.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            LOGGER.error("Interrupted thread",e);
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
        long endTime = System.currentTimeMillis(); //获取结束时间
        System.out.println("程序运行时间：" + (endTime - startTime) + "ms");
    }
    @Override
    public PooledObject makeObject() throws Exception {
        CuratorFramework client = CuratorFrameworkFactory.newClient(ZK_ADDRESS, new ExponentialBackoffRetry(1000, 3));
        client.start();
        return new DefaultPooledObject<>(client);
    }
    @Override
    public void destroyObject(PooledObject p) throws Exception {
    }
    @Override
    public boolean validateObject(PooledObject p) {
        return false;
    }
    @Override
    public void activateObject(PooledObject p) throws Exception {
    }
    @Override
    public void passivateObject(PooledObject p) throws Exception {
    }
}

测试结果如下，生成10000个id消耗=9443ms(两个线程耗时较长者),  平均每个id消耗0.9ms。

这还只是单zk连接的情况下，如果使用连接池来维护多个zk的连接，效率将成倍的提升。

四、结语

分布式ID生成器的实现有很多种。目前各方案也都各有特点。我们可以根据业务的具体要求，选择实现合适的方案。