高并发下ID生成方案

  1. 需求

    • 生成全局唯一的ID
    • 趋近有序(例如:1 3 4 6 9 18)
  2. 解决方案(涉及到数据以MySql为例)

    • 方案一:使用原生数据库的 auto_increment 来生成全局唯一ID
      • 优点:
        • 原生数据库简单快捷
        • 保证可靠唯一性
        • 步长有序固定
      • 缺点:
        • 不能保证高可用性,数据库常见的架构:一主多从(master+slave),本问题写居多,master库挂了就玩完了
        • 扩展性差,性能依赖master库写入的性能
      • 优化方案:
        • 新增master、避免单点写入
        • 数据水平切分,保证每个库生成的ID 不重复
        • 见下图:
          这里写图片描述
        • 1库平行扩展为4个库,分摊了写入的压力
        • Mysql 这边需要自行设置auto_increment_offset 确定AUTO_INCREMENT列值的起点,也就是初始值。auto_increment_increment控制列中的值的增量值,也就是步长。
        • root@localhost[kevin]> set session auto_increment_offset=1;
        • root@localhost[kevin]> set session auto_increment_increment=4;
        • 不足之处:相对保持ID递增,不过一般项目足矣
    • 方案二:单点生成ID服务,预生成id
      • 详解:数据库里记录最后一次分配的最大id,初始为max_id=1,假如第一生成 6个ID,第一步:generate-server 先获取数据库的max-id=0,第二步:然后更新 max_id=(0+6),generate-server 拿到初始max-id和本次拉取id个数生成ID,max_id < 生成ID集合 < (max_id+N)
      • 示意图:
        这里写图片描述
      • 单点服务+shadow 服务保证高可用性
      • 批量生成ID大大降低了数据库压力,且能保证ID 相对递增
      • 每秒生成10W级的ID
    • 方案三:本地生成 ID策略,依赖算法

      • 下面讲解snowflake算法,下面提供 PHP snowflake 的扩展
        • snowflake github
      • Twitter-Snowflake算法产生的背景相当简单,为了满足Twitter每秒上万条消息的请求,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算法核心,把时间戳,工作机器id,序列号组合在一起。
      • Snowflake算法核心
      • 除了最高位bit标记为不可用以外,其余三组bit占位均可浮动,看具体的业务需求而定。默认情况下41bit的时间戳可以支持该算法使用到2082年,10bit的工作机器id可以支持1023台机器,序列号支持1毫秒产生4095个自增序列id。下文会具体分析。
      • Snowflake – 时间戳
        这里时间戳的细度是毫秒级,具体代码如下,建议使用64位linux系统机器,因为有vdso,gettimeofday()在用户态就可以完成操作,减少了进入内核态的损耗。

        uint64_t generateStamp()
        {
            timeval tv;
            gettimeofday(&tv, 0);
            return (uint64_t)tv.tv_sec * 1000 + (uint64_t)tv.tv_usec / 1000;
        }

        默认情况下有41个bit可以供使用,那么一共有T(1llu << 41)毫秒供你使用分配,年份 = T / (3600 * 24 * 365 * 1000) = 69.7年。如果你只给时间戳分配39个bit使用,那么根据同样的算法最后年份 = 17.4年。

      • Snowflake – 工作机器id
        严格意义上来说这个bit段的使用可以是进程级,机器级的话你可以使用MAC地址来唯一标示工作机器,工作进程级可以使用IP+Path来区分工作进程。如果工作机器比较少,可以使用配置文件来设置这个id是一个不错的选择,如果机器过多配置文件的维护是一个灾难性的事情。
        这里的解决方案是需要一个工作id分配的进程,可以使用自己编写一个简单进程来记录分配id,或者利用Mysql auto_increment机制也可以达到效果。

      • snowflake - 工作id
        工作进程与工作id分配器只是在工作进程启动的时候交互一次,然后工作进程可以自行将分配的id数据落文件,下一次启动直接读取文件里的id使用。

        PS:这个工作机器id的bit段也可以进一步拆分,比如用前5个bit标记进程id,后5个bit标记线程id之类:D

      • Snowflake – 序列号
        序列号就是一系列的自增id(多线程建议使用atomic),为了处理在同一毫秒内需要给多条消息分配id,若同一毫秒把序列号用完了,则“等待至下一毫秒”。

        
        uint64_t waitNextMs(uint64_t lastStamp)
        {
            uint64_t cur = 0;
            do {
                cur = generateStamp();
            } while (cur <= lastStamp);
            return cur;
        }

        总体来说,是一个很高效很方便的GUID产生算法,一个int64_t字段就可以胜任,不像现在主流128bit的GUID算法,即使无法保证严格的id序列性,但是对于特定的业务,比如用做游戏服务器端的GUID产生会很方便。另外,在多线程的环境下,序列号使用atomic可以在代码实现上有效减少锁的密度。

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