分布式中ID的常用解决方案

在复杂的系统中,往往需要对大量的数据如订单,账户进行标识,以一个有意义的有序的序列号来作为全局唯一的ID;而分布式系统中我们对ID生成器要求又有哪些呢?

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。

递增：比较低要求的条件为趋势递增,即保证下一个ID一定大于上一个ID,而比较苛刻的要求是连续递增,如1,2,3等等。

高可用高性能：ID生成事关重大,一旦挂掉系统崩溃;高性能是指必须要在压测下表现良好,如果达不到要求则在高并发环境下依然会导致系统瘫痪。

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。

常见企业级解决方案

UUID

优点：

　　能够保证独立性，程序可以在不同的数据库间迁移，效果不受影响。

　　保证生成的ID不仅是表独立的，而且是库独立的，这点在你想切分数据库的时候尤为重要。

缺点：

　　性能为题：UUID太长，通常以36长度的字符串表示,对MySQL索引不利：如果作为数据库主键，在InnoDB引擎下，UUID的无序性可能会引起数据位置频繁变动，严重影响性能

　　UUID无业务含义：很多需要ID能标识业务含义的地方不使用

　　不满足递增要求

　　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。

　　不易于存储：UUID太长，16字节128位，通常以36长度的字符串表示，很多场景不适用。

基于数据库方案

利用数据库生成ID是最常见的方案。能够确保ID全数据库唯一。其优缺点如下：

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:

　　不同数据库语法和实现不同，数据库迁移的时候或多数据库版本支持的时候需要处理。

　　在单个数据库或读写分离或一主多从的情况下，只有一个主库可以生成。
　　有单点故障的风险。 在性能达不到要求的情况下，比较难于扩展。
　　如果涉及多个系统需要合并或者数据迁移会比较麻烦。
　　分表分库的时候会有麻烦。

雪花算法

SnowFlake算法生成id的结果是一个64bit大小的整数，它的结构如下图：

 

 大致由：首位无效符、时间戳差值，机器(进程)编码，序列号四部分组成。

1. 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。

2. 41bit-时间戳，用来记录时间戳，毫秒级。
   - 41位可以表示个数字，
   - 如果只用来表示正整数（计算机中正数包含0），可以表示的数值范围是：0 至 ，减1是因为可表示的数值范围是从0开始算的，而不是1。
   - 也就是说41位可以表示个毫秒的值，转化成单位年则是年

3. 10bit-工作机器id，用来记录工作机器id。
   - 可以部署在个节点，包括5位datacenterId和5位workerId
   - 5位（bit）可以表示的最大正整数是，即可以用0、1、2、3、....31这32个数字，来表示不同的datecenterId或workerId

4. 12bit-序列号，序列号，用来记录同毫秒内产生的不同id。
   - 12位（bit）可以表示的最大正整数是，即可以用0、1、2、3、....4094这4095个数字，来表示同一机器同一时间截（毫秒)内产生的4095个ID序号。

由于在Java中64bit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。

特点(自增、有序、适合分布式场景)

• 时间位：可以根据时间进行排序，有助于提高查询速度。
• 机器id位：适用于分布式环境下对多节点的各个节点进行标识，可以具体根据节点数和部署情况设计划分机器位10位长度，如划分5位表示进程位等。
• 序列号位：是一系列的自增id，可以支持同一节点同一毫秒生成多个ID序号，12位的计数序列号支持每个节点每毫秒产生4096个ID序号

public class IdWorker{

    //下面两个每个5位，加起来就是10位的工作机器id
    private long workerId;    //工作id
    private long datacenterId;   //数据id
    //12位的序列号
    private long sequence;

    public IdWorker(long workerId, long datacenterId, long sequence){
        // sanity check for workerId
        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));
        }
        System.out.printf("worker starting. timestamp left shift %d, datacenter id bits %d, worker id bits %d, sequence bits %d, workerid %d",
                timestampLeftShift, datacenterIdBits, workerIdBits, sequenceBits, workerId);

        this.workerId = workerId;
        this.datacenterId = datacenterId;
        this.sequence = sequence;
    }

    //初始时间戳
    private long twepoch = 1288834974657L;

    //长度为5位
    private long workerIdBits = 5L;
    private long datacenterIdBits = 5L;
    //最大值
    private long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits);
    private long maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits);
    //序列号id长度
    private long sequenceBits = 12L;
    //序列号最大值
    private long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);
    
    //工作id需要左移的位数，12位
    private long workerIdShift = sequenceBits;
   //数据id需要左移位数 12+5=17位
    private long datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;
    //时间戳需要左移位数 12+5+5=22位
    private long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits;
    
    //上次时间戳，初始值为负数
    private long lastTimestamp = -1L;

    public long getWorkerId(){
        return workerId;
    }

    public long getDatacenterId(){
        return datacenterId;
    }

    public long getTimestamp(){
        return System.currentTimeMillis();
    }

     //下一个ID生成算法
    public synchronized long nextId() {
        long timestamp = timeGen();

        //获取当前时间戳如果小于上次时间戳，则表示时间戳获取出现异常
        if (timestamp < lastTimestamp) {
            System.err.printf("clock is moving backwards.  Rejecting requests until %d.", lastTimestamp);
            throw new RuntimeException(String.format("Clock moved backwards.  Refusing to generate id for %d milliseconds",
                    lastTimestamp - timestamp));
        }

        //获取当前时间戳如果等于上次时间戳（同一毫秒内），则在序列号加一；否则序列号赋值为0，从0开始。
        if (lastTimestamp == timestamp) {
            sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;
            if (sequence == 0) {
                timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp);
            }
        } else {
            sequence = 0;
        }
        
        //将上次时间戳值刷新
        lastTimestamp = timestamp;

        /**
          * 返回结果：
          * (timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) 表示将时间戳减去初始时间戳，再左移相应位数
          * (datacenterId << datacenterIdShift) 表示将数据id左移相应位数
          * (workerId << workerIdShift) 表示将工作id左移相应位数
          * | 是按位或运算符，例如：x | y，只有当x，y都为0的时候结果才为0，其它情况结果都为1。
          * 因为个部分只有相应位上的值有意义，其它位上都是0，所以将各部分的值进行 | 运算就能得到最终拼接好的id
        */
        return ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) |
                (datacenterId << datacenterIdShift) |
                (workerId << workerIdShift) |
                sequence;
    }

    //获取时间戳，并与上次时间戳比较
    private long tilNextMillis(long lastTimestamp) {
        long timestamp = timeGen();
        while (timestamp <= lastTimestamp) {
            timestamp = timeGen();
        }
        return timestamp;
    }

    //获取系统时间戳
    private long timeGen(){
        return System.currentTimeMillis();
    }

    //---------------测试---------------
    public static void main(String[] args) {
        IdWorker worker = new IdWorker(1,1,1);
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            System.out.println(worker.nextId());
        }
    }

}