分布式唯一Id(雪花算法)：原理+对比+方案_雪花id生成原理

集群高并发情况下如何保证分布式唯一全局Id生成

为什么需要分布式全局唯一Id,以及分布式Id的业务需求

在复杂分布式系统中,往往需要对大量的数据和消息进行唯一标识。

如在美团点评的金融、支付、餐饮、酒店;猫眼电影等产品的系统中数据日渐增长,对数据分库分表后需要有一个唯一Id来标识一条数据或消息;特别一点的如订单、骑手、优惠券也都需要有唯一Id坐标时。

此时一个能够生成全局唯一Id的系统是非常必要的。

Id生成规则部分硬性要求

1. 全局唯一；
2. 趋势递增：在Mysql的InnoDB引擎中使用的是聚集索引,由于多数RDBMS使用Btree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来保证写入性能；
3. 单调递增：尽量保证下一个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；
4. 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,需要Id无规则不规则,让竞争对手不好猜；
5. 含时间戳：这样就能够在开发中快速了解这个分布式Id的生成时间。

Id生成系统的可用性要求

• 高可用：发一个获取分布式Id的请求,服务器就要保证99.999%的情况下给我创建一个唯一分布式Id；
• 低延迟：发一个获取分布式Id的请求,服务器要快,极速；
• 高QPS：例如并发一口气10万个创建分布式Id请求同时杀过来,服务器要顶得住且一下子成功创建10万个分布式Id。

一般通用方案

• UUID：UUID(Univesally Unique Identifler)的标准型包含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
  • 性能非常高: 本地生成,没有网络消耗；
  • 如果只是考虑唯一性:OK,关键是他无序,入数据库性能比较差。

为什么无序的UUID会导致入库性能变差呢?

1. 无序,无法预测他的生成顺序,不能生成递增有序的数字。首先分布式Id一般都会作为主键,但是按照mysql官方推荐的主键尽量越短越好,UUID每一个都很长,所以不是很推荐；
2. 主键,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MySQL官方有明确的建议主键尽量越短越好36个字符长度的UUID不符合要求；
3. 索引,B+树索引的分裂。
4. 既然分布式Id是主键,然后主键是包含索引的,然后mysql的索引是通过B+树来实现的,每一次新的UUID数据的插入,为了查询的优化,都会对索引底层的B+树进行修改,因为UUID是无序的,所以每一次UUID数据的插入都会对主键地城的B+树进行很大的修改,这一点很不好.插入完全无序,不但会导致一些中间节点产生分裂,也会白白创造出很多不饱和的节点,这样大大降低了数据库插入的性能。

• 数据库自增主键(小公司)
  • 在分布式里面,数据库的自增Id机制的主要原理是:数据库自增Id和mysql数据库的replace into实现的，这里的replace into跟insert功能类似；
  • 不同点在于: replace into首先尝试插入数据列表中,如果发现表中已经有此行数据(根据主键或唯一索引判断)则先删除,再插入,否则直接插入新数据。

REPLACE INTO 的含义是插入一条记录,如果表中唯一索引的值遇到冲突,则替换老数据

那数据库自增ID机制适合做分布式ID吗?答案是不太合适

1. 系统水平扩展比较困难,比如定义好了步长和机器台数之后,如果要添加机器该怎么做?假设现在只有一台机器发号是1.2.3.4.5(步长是1),这个时候需要扩容机器一台.可以这样做;把第二台机器的初始值设置的比第一台超过很多,貌似还好,现在想象一下如果我们线上有100台机器,这个时候要扩容该怎么做?简直是噩梦.所以系统水平扩展方案复杂难以实现；
2. 数据库压力还是很大,每次获取ID都得读写一次数据库,非常影响性能,不符合分布式ID里面的延迟低和高QPS的规则(在高并发下,如果都去数据库里面获取ID,那是非常影响性能的)。

• Redis生成全局Id策略（部署麻烦）

因为Redis是单线的天生保证原子性,可以使用原子操作INCR和INCRBY来实现。

注意: 在Redis集群情况下,同样和Mysql一样需要设置不同的增长步长,同时key一定要设置有效期。

可以使用Redis集群来获取更高的吞吐量。

综上分析：那么问题就来了，自增id会担心主键重复，UUID不能保证有序性，有没有一种ID既是有序的，又是唯一的呢？当然有，就是雪花ID。

雪花ID算法

Twitter的分布式自增Id算法snowflake

最初Twitter把存储系统从Mysql迁移到Cassandra(由Facebook开发一套开源分布式NoSQL数据库系统)因为Cassandra没有顺序ID生成机制,所以开发了一套全局唯一ID生成服务。

Twitter的分布式雪花算法SnowFlake,经测试每秒能够产生26万个自增可排序ID。

1. twitter的SnowFlake生成ID能够按照时间有序生成；

2. SnowFlake算法生成id的结果是一个64bit大小的整数,为一个Long型(转换成字符串后长度为19)；

3. 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。

雪花ID算法组成

• 时间范围：$2^{41}$ / (365*24*60*60*1000L) = 67.73年
• 工作进程：$2^{10}$ = 1024
• 生成不碰撞序列的TPS：$2^{10}$*1000=409.6万

号段解析

• 1bit: 不用,因为二进制中最高位是符号位,1表示负数,0表示正数,生成的id一般都是用整数,所以最高位固定为0；
• 41bit-时间戳: 用来记录时间戳,毫秒级；
• 10bit-机器码: 用来记录工作机器的id，最大值为1023；
• 2bit-序列号: 用来记录同一毫秒内产生的不同id，最大值为4095。

SnowFlake可以保证: 所有生成的id按时间趋势递增,整个分布式系统内不会产生重复id。

雪花ID的优缺点

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,生成的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

• 依赖机器时钟,如果机器时钟回拨,会导致重复ID生成.在单机上是递增的,但是由于设计到分布式环境,每台机器上的时钟不可能完全同步,有时候会出现不是全局递增的情况(此缺点可以认为无所谓,一般分布式id只要求趋势递增,而不会严格要求递增,90%的需求都只要求趋势递增)!