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常见分布式唯一ID生成策略有哪些区别

本篇内容介绍了“常见分布式唯一ID生成策略有哪些区别”的有关知识,在实际案例的操作过程中,不少人都会遇到这样的困境,接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧!希望大家仔细阅读,能够学有所成!

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简单分析一下需求

所谓全局唯一的 id 其实往往对应是生成唯一记录标识的业务需求。

这个 id 常常是数据库的主键,数据库上会建立聚集索引(cluster index),即在物理存储上以这个字段排序。这个记录标识上的查询,往往又有分页或者排序的业务需求。所以往往要有一个time字段,并且在time字段上建立普通索引(non-cluster index)。

普通索引存储的是实际记录的指针,其访问效率会比聚集索引慢,如果记录标识在生成时能够基本按照时间有序,则可以省去这个time字段的索引查询。

这就引出了记录标识生成的两大核心需求:

  • 全局唯一

  • 趋势有序

常见生成策略的优缺点对比
方法一: 用数据库的 auto_increment 来生成

优点:

  • 此方法使用数据库原有的功能,所以相对简单

  • 能够保证唯一性

  • 能够保证递增性

  • id 之间的步长是固定且可自定义的
    缺点:

  • 可用性难以保证:数据库常见架构是 一主多从 + 读写分离,生成自增ID是写请求 主库挂了就玩不转了

  • 扩展性差,性能有上限:因为写入是单点,数据库主库的写性能决定ID的生成性能上限,并且 难以扩展
    改进方案:

  • 冗余主库,避免写入单点

  • 数据水平切分,保证各主库生成的ID不重复

常见分布式唯一ID生成策略有哪些区别

如上图所述,由1个写库变成3个写库,每个写库设置不同的 auto_increment 初始值,以及相同的增长步长,以保证每个数据库生成的ID是不同的(上图中DB 01生成0,3,6,9…,DB 02生成1,4,7,10,DB 03生成2,5,8,11…)

改进后的架构保证了可用性,但缺点是

  • 丧失了ID生成的“绝对递增性”:先访问DB 01生成0,3,再访问DB 02生成1,可能导致在非常短的时间内,ID生成不是绝对递增的(这个问题不大,目标是趋势递增,不是绝对递增

  • 数据库的写压力依然很大,每次生成ID都要访问数据库
    为了解决这些问题,引出了以下方法:

方法二:单点批量ID生成服务

分布式系统之所以难,很重要的原因之一是“没有一个全局时钟,难以保证绝对的时序”,要想保证绝对的时序,还是只能使用单点服务,用本地时钟保证“绝对时序”。

数据库写压力大,是因为每次生成ID都访问了数据库,可以使用批量的方式降低数据库写压力。

常见分布式唯一ID生成策略有哪些区别

如上图所述,数据库使用双master保证可用性,数据库中只存储当前ID的最大值,例如4。

ID生成服务假设每次批量拉取5个ID,服务访问数据库,将当前ID的最大值修改为4,这样应用访问ID生成服务索要ID,ID生成服务不需要每次访问数据库,就能依次派发0,1,2,3,4这些ID了。

当ID发完后,再将ID的最大值修改为11,就能再次派发6,7,8,9,10,11这些ID了,于是数据库的压力就降低到原来的1/6。

优点:

  • 保证了ID生成的绝对递增有序

  • 大大的降低了数据库的压力,ID生成可以做到每秒生成几万几十万个
    缺点:

  • 服务仍然是单点

  • 如果服务挂了,服务重启起来之后,继续生成ID可能会不连续,中间出现空洞(服务内存是保存着0,1,2,3,4,数据库中max-id是4,分配到3时,服务重启了,下次会从5开始分配,3和4就成了空洞,不过这个问题也不大)
    虽然每秒可以生成几万几十万个ID,但毕竟还是有性能上限,无法进行水平扩展

改进方案
  • 单点服务的常用高可用优化方案是“备用服务”,也叫“影子服务”,所以我们能用以下方法优化上述缺点:

常见分布式唯一ID生成策略有哪些区别

如上图,对外提供的服务是主服务,有一个影子服务时刻处于备用状态,当主服务挂了的时候影子服务顶上。这个切换的过程对调用方是透明的,可以自动完成,常用的技术是 vip+keepalived。另外,id generate service 也可以进行水平扩展,以解决上述缺点,但会引发一致性问题。

方法三:uuid / guid

不管是通过数据库,还是通过服务来生成ID,业务方Application都需要进行一次远程调用,比较耗时。uuid是一种常见的本地生成ID的方法。

UUID uuid = UUID.randomUUID();

优点:

  • 本地生成ID,不需要进行远程调用,时延低

  • 扩展性好,基本可以认为没有性能上限
    缺点:

  • 无法保证趋势递增

  • uuid过长,往往用字符串表示,作为主键建立索引查询效率低,常见优化方案为“转化为两个uint64整数存储”或者“折半存储”(折半后不能保证唯一性)

方法四:取当前毫秒数

uuid是一个本地算法,生成性能高,但无法保证趋势递增,且作为字符串ID检索效率低,有没有一种能保证递增的本地算法呢?- 取当前毫秒数是一种常见方案。
优点:

  • 本地生成ID,不需要进行远程调用,时延低

  • 生成的ID趋势递增

  • 生成的ID是整数,建立索引后查询效率高
    缺点:

  • 如果并发量超过1000,会生成重复的ID

  • 这个缺点要了命了,不能保证ID的唯一性。当然,使用微秒可以降低冲突概率,但每秒最多只能生成1000000个ID,再多的话就一定会冲突了,所以使用微秒并不从根本上解决问题。

方法五:使用 redis 来生成 id

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。
优点:

  • 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。

方法六:Twitter 开源的 Snowflake 算法

snowflake 是 twitter 开源的分布式ID生成算法,其核心思想为,一个long型的ID:

  • 41 bit 作为毫秒数 - 41位的长度可以使用69年

  • 10 bit 作为机器编号 (5个bit是数据中心,5个bit的机器ID) - 10位的长度最多支持部署1024个节点

  • 12 bit 作为毫秒内序列号 - 12位的计数顺序号支持每个节点每毫秒产生4096个ID序号

常见分布式唯一ID生成策略有哪些区别

算法单机每秒内理论上最多可以生成1000*(2^12),也就是400W的ID,完全能满足业务的需求。

“常见分布式唯一ID生成策略有哪些区别”的内容就介绍到这里了,感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识可以关注创新互联网站,小编将为大家输出更多高质量的实用文章!


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