【系统设计】分布式唯一ID生成方案总结

分布式系统中唯一ID生成方案

目录

• 分布式系统中唯一ID生成方案
  • 1. 唯一ID简介
  • 2. 全局ID常见生成方案
    • 2.1 UUID生成
    • 2.2 数据库生成
    • 2.3 Redis生成
    • 2.4 利用zookeeper生成
    • 2.5 雪花算法生成
    • 2.6 其他生成方式

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在系统设计中，我们经常需要一个全局唯一的ID来标识一条数据，比如订单表，商品表的主键ID。这个ID往往能影响到数据存储、索引和查询等操作的效率。因此这个全局唯一的ID对系统的可用性和性能至关重要。

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1. 唯一ID简介

在系统设计中，我们经常需要一个全局唯一的ID来标识一条数据，比如订单表，商品表的主键ID。这个ID往往能影响到数据存储、索引和查询等操作的效率。因此这个全局唯一的ID对系统的可用性和性能至关重要。

全局唯一ID的特点

• 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；
• 趋势递增：在MySQL InnoDB引擎中使用的是聚集索引，由于多数RDBMS使用B-tree的数据结构来存储索引数据，在主键的选择上面我们应该尽量使用有序的主键保证写入性能。
• 单调递增：保证下一个ID一定大于上一个ID，例如事务版本号、IM增量消息、排序等特殊需求。
• 信息安全：如果ID是连续的，恶意用户的扒取工作就非常容易做了，直接按照顺序下载指定URL即可；如果是订单号就更危险了，竞对可以直接知道我们一天的单量。所以在一些应用场景下，会需要ID无规则、不规则。
• 高可用性：同时除了对ID号码自身的要求，业务还对ID号生成系统的可用性要求极高，想象一下，如果ID生成系统瘫痪，这就会带来一场灾难。所以不能有单点故障。
• 分片支持：可以控制ShardingId。比如某一个用户的文章要放在同一个分片内，这样查询效率高，修改也容易。
• 长度适中

由此总结下一个ID生成系统应该做到如下几点：

1. 平均延迟和TP999延迟都要尽可能低；
2. 可用性5个9；
3. 高QPS。

以上描述引用自博客

2. 全局ID常见生成方案

2.1 UUID生成

UUID (Universally Unique Identifier) 的目的，是让分布式系统中的所有元素，都能有唯一的辨识资讯，而不需要透过中央控制端来做辨识资讯的指定。如此一来，每个人都可以建立不与其它人冲突的 UUID。在这样的情况下，就不需考虑数据库建立时的名称重复问题。

UUID的标准型式包含32个16进制数字，以连字号分为五段，形式为8-4-4-4-12的36个字符，示例：550e8400-e29b-41d4-a716-446655440000，到目前为止业界一共有5种方式生成UUID，详情见IETF发布的UUID规范 A Universally Unique IDentifier (UUID) URN Namespace。

在Java中我们可以直接使用下面的API生成UUID。

UUID uuid  =  UUID.randomUUID();
String s = UUID.randomUUID().toString();

优点：

• 性能非常高：本地生成，API调用方便，没有网络消耗。

缺点：

• 存储成本高：UUID太长，16字节128位，通常以36长度的字符串表示，很多场景不适用。
• 信息不安全：基于MAC地址生成UUID的算法可能会造成MAC地址泄露，这个漏洞曾被用于寻找梅丽莎病毒的制作者位置。
• ID作为主键时在特定的环境会存在一些问题，比如做DB主键的场景下，UUID就非常不适用。UUID不是趋势递增的，而现阶段主流的数据库主键索引都是选用的B+树索引，对于无序长度过长的主键插入效率比较低。

2.2 数据库生成

以MySQL举例，利用给字段设置auto_increment_increment和auto_increment_offset来保证ID自增，每次业务使用下列SQL读写MySQL得到ID号。

这种方案的优缺点如下：

优点：

• 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。
• ID号单调自增，可以实现一些对ID有特殊要求的业务。

缺点：

• 强依赖DB，当DB异常时整个系统不可用，属于致命问题。配置主从复制可以尽可能的增加可用性，但是数据一致性在特殊情况下难以保证。主从切换时的不一致可能会导致重复发号。
• ID发号性能瓶颈限制在单台MySQL的读写性能。

2.3 Redis生成

当使用数据库来生成ID性能不够要求的时候，我们可以尝试使用Redis来生成ID。这主要依赖于Redis是单线程的，所以也可以用生成全局唯一的ID。可以用Redis的原子操作 INCR和INCRBY来实现。

比较适合使用Redis来生成日切流水号。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。

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。
• Redis单点故障，影响序列服务的可用性。

//代码整理
//待添加

2.4 利用zookeeper生成

zookeeper主要通过其znode数据版本来生成序列号，可以生成32位和64位的数据版本号，客户端可以使用这个版本号来作为唯一的序列号。

很少会使用zookeeper来生成唯一ID。主要是由于需要依赖zookeeper，并且是多步调用API，如果在竞争较大的情况下，需要考虑使用分布式锁。因此，性能在高并发的分布式环境下，也不甚理想。

2.5 雪花算法生成

这种方案大致来说是一种以划分命名空间（UUID也算，由于比较常见，所以单独分析）来生成ID的一种算法，这种方案把64-bit分别划分成多段，分开来标示机器、时间等，比如在snowflake中的64-bit分别表示如下图（图片来自网络）所示：

1-bit的时间可以表示（1L<<41）/(1000L360024*365)=69年的时间，10-bit机器可以分别表示1024台机器。如果我们对IDC划分有需求，还可以将10-bit分5-bit给IDC，分5-bit给工作机器。这样就可以表示32个IDC，每个IDC下可以有32台机器，可以根据自身需求定义。12个自增序列号可以表示2^12个ID，理论上snowflake方案的QPS约为409.6w/s，这种分配方式可以保证在任何一个IDC的任何一台机器在任意毫秒内生成的ID都是不同的。

这种方式的优缺点是：

优点：

• 毫秒数在高位，自增序列在低位，整个ID都是趋势递增的。
• 不依赖数据库等第三方系统，以服务的方式部署，稳定性更高，生成ID的性能也是非常高的。
• 可以根据自身业务特性分配bit位，非常灵活。

缺点：

• 强依赖机器时钟，如果机器上时钟回拨，会导致发号重复或者服务会处于不可用状态。

2.6 其他生成方式

百度的uid-generator：

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

美团Leaf：

https://github.com/zhuzhong/idleaf