九种分布式ID生成策略

1.UUID

Universally Unique Identifier，通用唯一识别码。UUID是基于当前时间、计数器和硬件标识（通常为无线网卡的MAC地址）等数据计算生成的。

包括：

• 当前日期和时间，UUID的第一部分与时间有关，如果在生成一个UUID之后，过几秒又生成一个，低第一个部分不同，其余相同【有可能】。
• 时钟序列
• 全局唯一的IEEE机器识别号，如果有网卡，从网卡MAC地址获得。

UUID 是由一组32位数的16进制数字所构成，以连字号分隔的五组来显示，形式为 8-4-4-4-12，总共有 36个字符（即三十二个英数字母和四个连字号）。

aefbbd3a-9cc5-4655-8363-a2a43e6e6c80
xxxxxxxx-xxxx-Mxxx-Nxxx-xxxxxxxxxxxx

如果需求是只保证唯一性，那么UUID也是可以使用的，但是 UUID其实是不能做成分布式id的，原因如下：

1. 首先分布式id一般都会作为主键，但是安装mysql官方推荐主键要尽量越短越好，UUID每一个都很长，所以不是很推荐
2. 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数据是无序的，所以每一次UUID数据的插入都会对主键生成的b+树进行很大的修改，这一点很不好
3. 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。

2.数据库自增ID

针对表结构的主键，我们常规的操作是在创建表结构的时候给对应的ID设置 auto_increment.也就是勾选自增选项。

但是这种方式我们清楚在单个数据库的场景中我们是可以这样做的，但如果是在分库分表的环境下。直接利用单个数据库的自增肯定会出现问题。因为ID要唯一，但是分表分库后只能保证一个表中的ID的唯一，而不能保证整体的ID唯一。

上面的情况我们可以通过单独创建主键维护表来处理。

创建一个表结构：

CREATE TABLE `test_order_id`  (
  `id` bigint NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `title` char(1) NOT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
	UNIQUE KEY `title` (`title`)
) ENGINE = InnoDB AUTO_INCREMENT=1 DEFAULT CHARSET =utf8;

然后我们通过更新ID操作来获取ID信息

BEGIN;

REPLACE INTO test_order_id (title) values ('p') ;
SELECT LAST_INSERT_ID();

COMMIT;

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。

3.数据库多主模式

单点数据库方式存在明显的性能问题，可以对数据库进行高可以优化，担心一个主节点挂掉没法使用，可以选择做双主模式集群，也就是两个MySQL实例都能单独生产自增的ID。

查看主键自增的属性：show variables like ‘%increment%’

我们可以设置主键自增的步长从2开始。

但是这种在并发量比较高的情况下，如何保证扩展性其实会是一个问题。在高并发情况下无能为力。

• 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得比第一台超过很多，比如14（假设在扩容时间之内第一台不可能发到14），同时设置步长为2，那么这台机器下发的号码都是14以后的偶数。然后摘掉第一台，把ID值保留为奇数，比如7，然后修改第一台的步长为2。让它符合我们定义的号段标准，对于这个例子来说就是让第一台以后只能产生奇数。扩容方案看起来复杂吗？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。
• ID没有了单调递增的特性，只能趋势递增，这个缺点对于一般业务需求不是很重要，可以容忍。
• 数据库压力还是很大，每次获取ID都得读写一次数据库，只能靠堆机器来提高性能。

4. 号段模式

号段模式是当下分布式ID生成器的主流实现方式之一，号段模式可以理解为从数据库批量的获取自增ID，每次从数据库取出一个号段范围，例如 (1,1000] 代表1000个ID，具体的业务服务将本号段，生成1~1000的自增ID并加载到内存。表结构如下：

CREATE TABLE id_generator (
  id int(10) NOT NULL,
  max_id bigint(20) NOT NULL COMMENT '当前最大id',
  step int(20) NOT NULL COMMENT '号段的布长',
  biz_type    int(20) NOT NULL COMMENT '业务类型',
  version int(20) NOT NULL COMMENT '版本号',
  PRIMARY KEY (`id`)
) 

字段说明：

biz_type ：代表不同业务类型

max_id ：当前最大的可用id

step ：代表号段的长度

version ：是一个乐观锁，每次都更新version，保证并发时数据的正确性

等这批号段ID用完，再次向数据库申请新号段，对max_id字段做一次update操作，update max_id= max_id + step，update成功则说明新号段获取成功，新的号段范围是(max_id ,max_id +step]

由于多业务端可能同时操作，所以采用版本号version乐观锁方式更新，这种分布式ID生成方式不强依赖于数据库，不会频繁的访问数据库，对数据库的压力小很多。但同样也会存在一些缺点比如：服务器重启，单点故障会造成ID不连续。

5. Redis

基于全局唯一ID的特性，我们可以通过Redis的INCR命令来生成全局唯一ID。

同样使用Redis也有对应的缺点：

1. ID 生成的持久化问题，如果Redis宕机了怎么进行恢复
2. 当个节点宕机问题

当然针对故障问题我们可以通过Redis集群来处理，比如我们有三个Redis的Master节点。可以初始化每台Redis的值分别是1,2,3，然后分别把分布式ID的KEY用Hash Tags固定每一个master节点，步长就是master节点的个数。各个Redis生成的ID为：

A:1,4,7

B:2,5,8

C:3,6,9

优点：

1. 不依赖于数据库，灵活方便，且性能优于数据库
2. 数字ID有序，对分页处理和排序都很友好
3. 防止了Redis的单机故障

缺点：

1. 如果没有Redis数据库，需要安装配置，增加复杂度
2. 集群节点确定是3个后，后面调整不是很友好

Redis分布式ID的简单案例

/**
 *  Redis 分布式ID生成器
 */
@Component
public class RedisDistributedId {

    @Autowired
    private StringRedisTemplate redisTemplate;

    private static final long BEGIN_TIMESTAMP = 1659312000l;

    /**
     * 生成分布式ID
     * 符号位    时间戳[31位]  自增序号【32位】
     * @param item
     * @return
     */
    public long nextId(String item){
        // 1.生成时间戳
        LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
        // 格林威治时间差
        long nowSecond = now.toEpochSecond(ZoneOffset.UTC);
        // 我们需要获取的 时间戳 信息
        long timestamp = nowSecond - BEGIN_TIMESTAMP;
        // 2.生成序号 --》 从Redis中获取
        // 当前当前的日期
        String date = now.format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy:MM:dd"));
        // 获取对应的自增的序号
        Long increment = redisTemplate.opsForValue().increment("id:" + item + ":" + date);
        return timestamp << 32 | increment;
    }

}

6.雪花算法

Snowflake，雪花算法是有Twitter开源的分布式ID生成算法，以划分命名空间的方式将64bit位分割成了多个部分，每个部分都有具体的不同含义，在Java中64Bit位的整数是Long类型，所以在Java中Snowflake算法生成的ID就是long来存储的。具体如下：

第一部分：占用1bit,第一位为符号位，不使用

第二部分：41位的时间戳，41bit位可以表示2^41
个数，每个数代表的是毫秒，那么雪花算法的时间年限是(2^41)/(1000×60×60×24×365)=69年

第三部分：10bit表示是机器数，即 2^ 10 = 1024台机器，通常不会部署这么多机器

第四部分：12bit位是自增序列，可以表示2^12=4096个数，一秒内可以生成4096个ID

案例代码：

package com.boge.vip.utils;

/**
 * Twitter_Snowflake
 * SnowFlake的结构如下(每部分用-分开):
 * 0 - 0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0 - 00000 - 00000 - 000000000000
 * 1位标识，由于long基本类型在Java中是带符号的，最高位是符号位，正数是0，负数是1，所以id一般是正数，最高位是0
 * 41位时间截(毫秒级)，注意，41位时间截不是存储当前时间的时间截，而是存储时间截的差值（当前时间截 - 开始时间截)
 * 得到的值），这里的的开始时间截，一般是我们的id生成器开始使用的时间，由我们程序来指定的（如下下面程序IdWorker类的startTime属性）。41位的时间截，可以使用69年，年T = (1L << 41) / (1000L * 60 * 60 * 24 * 365) = 69
 * 10位的数据机器位，可以部署在1024个节点，包括5位datacenterId和5位workerId
 * 12位序列，毫秒内的计数，12位的计数顺序号支持每个节点每毫秒(同一机器，同一时间截)产生4096个ID序号
 * 加起来刚好64位，为一个Long型。
 * SnowFlake的优点是，整体上按照时间自增排序，并且整个分布式系统内不会产生ID碰撞(由数据中心ID和机器ID作区分)，并且效率较高，经测试，SnowFlake每秒能够产生26万ID左右。
 */
public class SnowflakeIdWorker {

    // ==============================Fields===========================================
    /**
     * 开始时间截 (2020-11-03，一旦确定不可更改，否则时间被回调，或者改变，可能会造成id重复或冲突)
     */
    private final long twepoch = 1604374294980L;

    /**
     * 机器id所占的位数
     */
    private final long workerIdBits = 5L;

    /**
     * 数据标识id所占的位数
     */
    private final long datacenterIdBits = 5L;

    /**
     * 支持的最大机器id，结果是31 (这个移位算法可以很快的计算出几位二进制数所能表示的最大十进制数)
     */
    private final long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits);

    /**
     * 支持的最大数据标识id，结果是31
     */
    private final long maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits);

    /**
     * 序列在id中占的位数
     */
    private final long sequenceBits = 12L;

    /**
     * 机器ID向左移12位
     */
    private final long workerIdShift = sequenceBits;

    /**
     * 数据标识id向左移17位(12+5)
     */
    private final long datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;

    /**
     * 时间截向左移22位(5+5+12)
     */
    private final long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits;

    /**
     * 生成序列的掩码，这里为4095 (0b111111111111=0xfff=4095)
     */
    private final long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);

    /**
     * 工作机器ID(0~31)
     */
    private long workerId;

    /**
     * 数据中心ID(0~31)
     */
    private long datacenterId;

    /**
     * 毫秒内序列(0~4095)
     */
    private long sequence = 0L;

    /**
     * 上次生成ID的时间截
     */
    private long lastTimestamp = -1L;

    //==============================Constructors=====================================

    /**
     * 构造函数
     *
     */
    public SnowflakeIdWorker() {
        this.workerId = 0L;
        this.datacenterId = 0L;
    }

    /**
     * 构造函数
     *
     * @param workerId     工作ID (0~31)
     * @param datacenterId 数据中心ID (0~31)
     */
    public SnowflakeIdWorker(long workerId, long datacenterId) {
        if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException(String.format("worker Id can't be greater than %d or less than 0", maxWorkerId));
        }
        if (datacenterId > maxDatacenterId || datacenterId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException(String.format("datacenter Id can't be greater than %d or less than 0", maxDatacenterId));
        }
        this.workerId = workerId;
        this.datacenterId = datacenterId;
    }

    // ==============================Methods==========================================

    /**
     * 获得下一个ID (该方法是线程安全的)
     *
     * @return SnowflakeId
     */
    public synchronized long nextId() {
        long timestamp = timeGen();

        //如果当前时间小于上一次ID生成的时间戳，说明系统时钟回退过这个时候应当抛出异常
        if (timestamp < lastTimestamp) {
            throw new RuntimeException(
                    String.format("Clock moved backwards.  Refusing to generate id for %d milliseconds", lastTimestamp - timestamp));
        }

        //如果是同一时间生成的，则进行毫秒内序列
        if (lastTimestamp == timestamp) {
            sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;
            //毫秒内序列溢出
            if (sequence == 0) {
                //阻塞到下一个毫秒,获得新的时间戳
                timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp);
            }
        }
        //时间戳改变，毫秒内序列重置
        else {
            sequence = 0L;
        }

        //上次生成ID的时间截
        lastTimestamp = timestamp;

        //移位并通过或运算拼到一起组成64位的ID
        return ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) //
                | (datacenterId << datacenterIdShift) //
                | (workerId << workerIdShift) //
                | sequence;
    }

    /**
     * 阻塞到下一个毫秒，直到获得新的时间戳
     *
     * @param lastTimestamp 上次生成ID的时间截
     * @return 当前时间戳
     */
    protected long tilNextMillis(long lastTimestamp) {
        long timestamp = timeGen();
        while (timestamp <= lastTimestamp) {
            timestamp = timeGen();
        }
        return timestamp;
    }

    /**
     * 返回以毫秒为单位的当前时间
     *
     * @return 当前时间(毫秒)
     */
    protected long timeGen() {
        return System.currentTimeMillis();
    }

    /**
     * 随机id生成，使用雪花算法
     *
     * @return
     */
    public static String getSnowId() {
        SnowflakeIdWorker sf = new SnowflakeIdWorker();
        String id = String.valueOf(sf.nextId());
        return id;
    }

    //=========================================Test=========================================

    /**
     * 测试
     */
    public static void main(String[] args) {
        SnowflakeIdWorker idWorker = new SnowflakeIdWorker(0, 0);
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            long id = idWorker.nextId();
            System.out.println(id);
        }
    }
}

实际生产环境中我们应该怎么来应用雪花算法来实现分布式ID。

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。
  

7. 百度Uidgenerator

源码地址：https://github.com/baidu/uid-generator

中文文档地址：https://github.com/baidu/uid-generator/blob/master/README.zh_cn.md

  UidGenerator是百度开源的Java语言实现，基于Snowflake算法的唯一ID生成器。它是分布式的，并克服了雪花算法的并发限制。单个实例的QPS能超过6000000。需要的环境：JDK8+，MySQL（用于分配WorkerId）。

  百度的Uidgenerator对结构做了部分的调整，具体如下：

UidGenerator的时间部分只有28位，这就意味着UidGenerator默认只能承受8.5年（2^28-1/86400/365）也可以根据你业务的需求，UidGenerator可以适当调整delta seconds、worker node id和sequence占用位数。

8.美团Leaf

由美团开发，开源项目链接：https://github.com/Meituan-Dianping/Leaf
Leaf同时支持号段模式和snowflake算法模式，可以切换使用。ID号码是趋势递增的8byte的64位数字，满足上述数据库存储的主键要求。

Leaf的snowflake模式依赖于ZooKeeper，不同于原始snowflake算法也主要是在workId的生成上，Leaf中workId是基于ZooKeeper的顺序Id来生成的，每个应用在使用Leaf-snowflake时，启动时都会都在Zookeeper中生成一个顺序Id，相当于一台机器对应一个顺序节点，也就是一个workId。

Leaf的号段模式是对直接用数据库自增ID充当分布式ID的一种优化，减少对数据库的频率操作。相当于从数据库批量的获取自增ID，每次从数据库取出一个号段范围，例如 (1,1000] 代表1000个ID，业务服务将号段在本地生成1~1000的自增ID并加载到内存.。

特性：

1）全局唯一，绝对不会出现重复的ID，且ID整体趋势递增。

2）高可用，服务完全基于分布式架构，即使MySQL宕机，也能容忍一段时间的数据库不可用。

3）高并发低延时，在CentOS 4C8G的虚拟机上，远程调用QPS可达5W+，TP99在1ms内。

4）接入简单，直接通过公司RPC服务或者HTTP调用即可接入。

Leaf采用双buffer的方式，它的服务内部有两个号段缓存区segment。当前号段已消耗10%时，还没能拿到下一个号段，则会另启一个更新线程去更新下一个号段。

简而言之就是Leaf保证了总是会多缓存两个号段，即便哪一时刻数据库挂了，也会保证发号服务可以正常工作一段时间。

案例记录

        <dependency>
            <artifactId>leaf-boot-starter</artifactId>
            <groupId>com.sankuai.inf.leaf</groupId>
            <version>1.0.1-RELEASE</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.curator</groupId>
            <artifactId>curator-recipes</artifactId>
            <version>2.6.0</version>
            <exclusions>
                <exclusion>
                    <artifactId>log4j</artifactId>
                    <groupId>log4j</groupId>
                </exclusion>
            </exclusions>
        </dependency>

属性文件配置：

leaf.name=com.boge.vip
leaf.segment.enable=false
#leaf.segment.url=
#leaf.segment.username=
#leaf.segment.password=

leaf.snowflake.enable=true
#leaf.snowflake.address=
#leaf.snowflake.port=
#zookeeper地址
leaf.snowflake.address=192.168.56.100
leaf.snowflake.port=2181

启动一个Zookeeper服务。

 @SpringBootTest
class DistributedIdsVipApplicationTests {
    
     @Autowired
     private SnowflakeService snowflakeService;

    @Test
    void contextLoads() {
        Result abc = snowflakeService.getId("abc");
        System.out.println(abc.getId());

        System.out.println(Long.toBinaryString(abc.getId()));
    }

}

弱依赖ZooKeeper

除了每次会去ZK拿数据以外，也会在本机文件系统上缓存一个workerID文件。当ZooKeeper出现问题，恰好机器出现问题需要重启时，能保证服务能够正常启动。这样做到了对三方组件的弱依赖。一定程度上提高了SLA。

解决时钟问题

因为这种方案依赖时间，如果机器的时钟发生了回拨，那么就会有可能生成重复的ID号，需要解决时钟回退的问题。

参见上图整个启动流程图，服务启动时首先检查自己是否写过ZooKeeper leaf_forever节点：

1. 若写过，则用自身系统时间与leaf_forever/$self节点记录时间做比较，若小于lea{f}_{f}orever/${self}时间则认为机器时间发生了大步长回拨，服务启动失败并报警。
2. 若未写过，证明是新服务节点，直接创建持久节点leaf_forever/${self}并写入自身系统时间，接下来综合对比其余Leaf节点的系统时间来判断自身系统时间是否准确，具体做法是取leaf_temporary下的所有临时节点(所有运行中的Leaf-snowflake节点)的服务IP：Port，然后通过RPC请求得到所有节点的系统时间，计算sum(time)/nodeSize。
3. 若abs( 系统时间-sum(time)/nodeSize ) < 阈值，认为当前系统时间准确，正常启动服务，同时写临时节点leaf_temporary/${self} 维持租约。
4. 否则认为本机系统时间发生大步长偏移，启动失败并报警。
5. 每隔一段时间(3s)上报自身系统时间写入leaf_forever/${self}。

由于强依赖时钟，对时间的要求比较敏感，在机器工作时NTP同步也会造成秒级别的回退，建议可以直接关闭NTP同步。要么在时钟回拨的时候直接不提供服务直接返回ERROR_CODE，等时钟追上即可。或者做一层重试，然后上报报警系统，更或者是发现有时钟回拨之后自动摘除本身节点并报警

//发生了回拨，此刻时间小于上次发号时间
 if (timestamp < lastTimestamp) {
  			  
            long offset = lastTimestamp - timestamp;
            if (offset <= 5) {
                try {
                	//时间偏差大小小于5ms，则等待两倍时间
                    wait(offset << 1);//wait
                    timestamp = timeGen();
                    if (timestamp < lastTimestamp) {
                       //还是小于，抛异常并上报
                        throwClockBackwardsEx(timestamp);
                      }    
                } catch (InterruptedException e) {  
                   throw  e;
                }
            } else {
                //throw
                throwClockBackwardsEx(timestamp);
            }
        }

9. 滴滴TinyID

由滴滴开发，开源项目链接：https://github.com/didi/tinyid

Tinyid是在美团（Leaf）的leaf-segment算法基础上升级而来，不仅支持了数据库多主节点模式，还提供了tinyid-client客户端的接入方式，使用起来更加方便。但和美团（Leaf）不同的是，Tinyid只支持号段一种模式不支持雪花模式。Tinyid提供了两种调用方式，一种基于Tinyid-server提供的http方式，另一种Tinyid-client客户端方式。每个服务获取一个号段（1000,2000]、（2000,3000]、（3000,4000]

特性：

1）全局唯一的long型ID

2）趋势递增的id

3）提供 http 和 java-client 方式接入

4）支持批量获取ID

5）支持生成1,3,5,7,9…序列的ID

6）支持多个db的配置

适用场景：只关心ID是数字，趋势递增的系统，可以容忍ID不连续，可以容忍ID的浪费

不适用场景：像类似于订单ID的业务，因生成的ID大部分是连续的，容易被扫库、或者推算出订单量等信息