分布式下的 ID 实现

分布式 —— 全局唯一 ID 实现方案

为什么需要全局唯一 ID？分布式服务架构模式下分库分表的设计，使得多个库或多个表存储相同的业务数据。这种情况根据数据库的自增ID就会产生相同ID的情况，不能保证主键的唯一性

业务系统对 ID 的要求有哪些呢？

1. 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
2. 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
3. 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
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，会需要 ID 无规则、不规则
5. 高可用、高性能：如果 ID 生成系统不可用，则所有下游服务都不可用

对于 3、4 而言，需求是互斥的，无法使用同一个方案解决

通常使用号段模式满足 3，雪花算法满足 4

前后端联调的坑（long 传给前端接受的坑）：JS Number 采用的 IEEE 754 规范，也就是相当于 Java 的 double；double 最大允许的正整数为 $2^{53}-1$，long 最大值为 $2^{63}-1$，所以可能造成数据精度的丢失

号段模式

号段模式：一次性向数据库申请一批连续的 ID 放入 JVM 缓存，当用完时再从数据库中拉取

号段模式的优点：本机单调递增、全局趋势递增

号段模式的问题：

1. 步长的选取。步长太长，服务重启则整个号段作废；步长太短，频繁访问数据库，数据库压力很大
2. 并发问题：多服务器同时获取号段，可能分配同一号段
3. 线程阻塞：当号段消费完时，需要向数据库拉取号段，在此期间服务不可用
4. 单点故障：号段拉取完全依赖于数据库，当数据库不可用时整个服务不可用

上诉问题优化：

1. 自适应步长，步长初始值很小，当成功消费完所有补偿后还没达到阈值则加倍拉取，若中途服务重启，则将步长设为初始值
2. 加锁。悲观锁（数据库行锁），乐观锁（版本号）
3. 双号段缓存。在号段快用完时，提前异步加载下一个号段
4. 多数据库实例支持：当其中一个库不可用时，使用另外一个库拉取 id

多实例支持将引入新的问题，可能造成拉取重复 id，如何避免？

引入内步长的概念。如有三台数据库实例，则将内步长置为 3。起始序列号设 A 为 1，B 为 2，C 为 3

则每次向不同实例拉取时，id + 内步长

此时 A 的 增长趋势为 1 4 7 10 …

此时 B 的 增长趋势为 2 5 8 11 …

此时 C 的 增长趋势为 3 6 9 12 …

号段模式业界经典实现：美团 Leaf-segment，滴滴 tinyid

雪花算法

雪花算法组成：1 + 41 + 10 + 12；1 是符号位始终为 0 保证 id 为正数；41 是时间戳具体到毫秒（从 1970 年开始）理论上限为 69 年；10 是所允许机器 ID 数，最大允许 1024 台机器；12 是同一时间点上最大允许生成的 id 数，即每毫秒最多分配 4096 个 ID

雪花算法优化：时间戳从 1970 年开始，白白浪费几十年，可以从实际投入使用时间开始，如 2022 年；雪花算法各个组成都可以按需进行分配

雪花算法的优点：趋势递增，不依赖第三方组件，按需分配 bit

为什么使用雪花算法，而不是使用号段模式？出于安全性考虑，如：通过 id 猜测订单数量。严禁 id 号生成单调递增

为什么使用雪花算法，而不是使用 UUID？出于性能考虑，插入数据库时主键乱序则可能导致页分裂，严重影响插入效率

雪花算法的缺陷：时间回拨；因为雪花算法生成的 ID 是基于时间的，现实世界的时间是单调的，但对于计算机而言却不是

时间回拨：服务器时间突然倒退到之前的时间，则可能产生重复 ID

造成时间回拨的原因：1. 手动改服务器时间（一般不会）；2. 服务器开启 NTP 服务做时间校准（重点）

什么是 ntp？网络时间协议，用以同步分布式场景下各服务器时间；基于 UDP 协议

为什么需要 ntp，而不是使用服务器自己的时间？长时间允许的服务器会造成不可容忍的误差，所以需要同步时钟

解决时间回拨方案：等待时钟同步，如果当前生成的 ID 时间戳小于前一个就不是有效的 ID，需要循环生成直到为有效 ID；此法可能造成长时间的空转，所以需要设置最大容忍阈值

雪环算法经典业界实现：MongoDB ObjectID，美团 Leaf-snowflake，百度 UidGenerator

参考资料

• Leaf —— 美团点评分布式ID生成系统

• Leaf：美团分布式ID生成服务开源

• Tinyid 原理介绍

• UidGenerator - README

• 分布式系统 - 全局唯一ID实现方案