高可用高性能可扩展的单号生成方案

在业务开发中经常会遇到各种单号生成， 例如快递单号、服务单号、订单号等等。 这些单号生成往往是业务逻辑处理的第一步， 单号生成出问题，必然导致业务走不下去;另外有多少业务量就会至少有多少的单号生成需求。所以单号生成必须高可用，必须高性能。 另外业务不同需要的单号规则可能也不相同， 所以单号服务还必须具备足够的扩展性。

一、单号定义

在进入正题之前我们先给单号下个定义， 看几个常见的单号形式。

单号是一个数字和字符组成的序列， 它要满足两个条件： 一个是唯一， 保证唯一才可以作为业务标识; 另一个是符合业务需要的规则。 例如下面三个单号：

• 2017030400001 这个单号由两个部分序列号日期20170304+定长5位补0数字00001。
• 010-6541-00001 此单号分三部分， 中间用减号连接， 第一部分为区号， 第二部分为作业单位号码， 第三部分为作业单位产生作业的序号。
• QJ000001 则是由字符QJ开头后面跟随数字序列的单号。

二、单号数字序列部分的生成

上述单号定义中的数字部分通常是一个自增的数字序列。 我们可以通过数据库的自增列、 数据库的列+1方式、 redis或者memcached的INCR指令来生成这种数字的序列。 这四种方式都可以生成序列， 但各自有各自的好处。

1. 数据库自增列的方式

是通过数据库的内部机制生成的， 在普通PC上每秒约可以生成4000个数字序列， 它的好处是每一个数字序列都会保留一条记录， 记录生成使用时间， 缺点是吞吐量一般， 会占用一定的数据库资源， 如下是一种推荐的表结构：

CREATE TABLE `xx_code_sequence` ( 
   `id` bigint(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT, 
   `generate_time` timestamp NOT NULL 
      default CURRENT_TIMESTAMP, 
   PRIMARY KEY (`id`) 
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=1 DEFAULTCHARSET=utf8; 

此表有两列， id列为bigint类型的自增长字段，作为数字序列的值， generate_time时间戳字段可以记录每一个单号的生成时间。生成数字序列的方式用sql说明如下：

begin trans; 
insert into `xx_code_sequence`(generate_time)values(current_timestamp); 
select last_insert_id(); 
commit; 

说明：

• 表名格式xx_code_sequence，sto_code_0分为三部分sto为ownerKey， code固定不变，0表示表的序号，可以有多个下标不同表来支持更高的并发，共有几个表需要在开始确认了，确认的依据是需要满足的并发请求。表的个数必须是2的n次方，例如1， 2， 4， 8，16;
• `id` 即序列的部分值，是通过mysql的自增特性生成的，最终的序列值是id和表序号共同组成的，假定有4个表，序号分别为0，1，2，3;那么序列值为 id<< 2 | table_index; 即id向左移位2位(移位几位取决于表的个数)，然后和表序号求或;
• `generate_time` 为id生成时间，无其他含义。

不同序号的表可以建在不同的数据库上，当某个序号的表不可用时要报警，并切换到其他表上生成数字序列。

2. 数据库的列+1方式

通过对数据库的某列做+1操作， 来得到唯一的数字序列， 是通过数据库的行锁来保障唯一的， 因为涉及到行锁， 所以这种方式生成序列的单行吞吐量不会太大， 适合需要生成多种(每一种放到一行)不同数字生成需求。 如下是一种推荐的表结构：

create table `xx_rowbased_sequence` ( 
   `owner_key` varchar(32) NOT NULL, 
   `current_value` bigint NOT NULL, 
   PRIMARY KEY (`owner_key`) 
); 

表中的ownerKey列为单号种类标识， current_value为+1操作列。生成序列的方式用sql说明如下

begin trans; 
UPDATE  `xx_rowbased_sequence`SET current_valuecurrent_value=current_value+1 WHERE owner_key=’order-no’; 
SELECT current_value FROM `xx_rowbased_sequence` WHERE owner_key=’order-no’; 
commit; 

需要注意使用此方式生成数字序列事务隔离级别需要是RR。

3. 使用redis/memcached的INCR指令方式

redis/memcached本身可以保证生成数字的唯一性，和高性能。 单一redis服务器每秒可以生成约6w左右的数字序列。 但需要注意redis必须配置主从和存储， 以避免在极端情况下redis节点down机， 导致丢失序列或序列重复。

三、高可用实现

上面介绍了4种生成数字序列的方式， 但要保证高可用， 单靠一种序列生成方式还是不够的， 我们还需要一种高可用的实现。

高可用数字序列生成器内部是2的n次方个底层数字序列生成器， 每个底层序列生成器对应一个下标值， 下标值的范围为[0, 2n-1]。 在生成序列时， 轮询底层生成器， 如果正常， 则将生成结果向左移n位， 并与当前底层序列生成器下标取或得到最终序列值。 如果底层序列生成器发生异常， 则将其标记为不可用， 并轮询下一个底层序列生成器， 直到成功。

高可用实现类com.jd.coo.sa.sequence.ha.BitwiseLoadBalanceSequenceGen，其内部有x个底层SequenceGen实现，此类会轮询的调用底层SequenceGen来生成序列，如果某个底层序列生成出错，会从可用列表中移除掉，被移除掉的底层SequenceGen在过xx时间(默认为5分钟)后，可以重新加入到可用列表中。如果内部序列生成单个序列时间超时，并在最近n时间内连续超时x次，会被移动到异常列表，在异常列表中时间超过xx时间后，也会被重新放入可用列表中。

如果一个底层序列被标记为不可用， 过配置时间后会将其恢复到可用列表中， 自动恢复机制可以避免底层序列生成器已恢复可用， 而程序却一直不使用此底层序列生成器的情况。

高可用实现的内部结构图， 如下图所示：

其核心方法如下所示：

public long gen(String ownerKey){ 
    long sequence=0; 
    int currentPartitionIndex=-1; 
    SequenceGen innerGen=null; 
    do{ 
        long startTime=System.currentTimeMillis(); 
        boolean hasError=false; 
        try{ 
            currentPartitionIndex=getCurrentPartitionIndex(ownerKey); 
            LOGGER.trace("current partition index {}",currentPartitionIndex); 
            innerGen=innerSequences.get(currentPartitionIndex); 
            if(innerGen==SkipSequence.INSTANCE){ 
                LOGGER.warn("current partition index {} is skipped",currentPartitionIndex); 
                if(availablePartitionIndices.contains(currentPartitionIndex)){ 
                    LOGGER.warn("current partition index {} is skipped, remove it",currentPartitionIndex); 
                    availablePartitionIndices.remove(Integer.valueOf(currentPartitionIndex)); 
                } 
 
                continue; 
            } 
 
            HighAvailablePartitionHolder.setPartition(currentPartitionIndex); 
            sequence=innerGen.gen(ownerKey); 
            onGenNewId(ownerKey,currentPartitionIndex,sequence); 
            LOGGER.trace("genNewId {} with inner {}",sequence,currentPartitionIndex); 
            break; 
        }catch(SequenceOutOfRangeException ex){ 
            LOGGER.error("gen error SequenceOutOfRangeException index {} total available {}", 
                    currentPartitionIndex, 
                    availablePartitionIndices.size()); 
            hasError=true; 
 
            LOGGER.error("set {} to SKIP",currentPartitionIndex); 
            this.innerSequences.set(currentPartitionIndex,SkipSequence.INSTANCE); 
            onError(ownerKey,currentPartitionIndex,innerGen,ex); 
            LOGGER.error("after onError total available {}/{}",currentPartitionIndex, 
                    availablePartitionIndices.size()); 
 
        }catch(Exception ex){ 
            LOGGER.error("gen error index {} total available {}",currentPartitionIndex, 
                    availablePartitionIndices.size()); 
            LOGGER.error("gen error ",ex); 
            hasError=true; 
            onError(ownerKey,currentPartitionIndex,innerGen,ex); 
            LOGGER.error("after onError total available {}/{}",currentPartitionIndex, 
                    availablePartitionIndices.size()); 
        }finally{ 
            long usedTime=System.currentTimeMillis()-startTime; 
            boolean isTimeout=usedTime>timeoutThresholdInMilliseconds; 
            if(!hasError&&isTimeout){ 
                onTimeout(currentPartitionIndex,innerGen,usedTime); 
            } 
            LOGGER.trace("gen usedTime {}",usedTime); 
        } 
    }while(true); 
    return sequence; 
} 

使用时配置bean使用即可， 如下spring bean xml配置：

<bean id="highAvailableSequenceGen" class="com.jd.coo.sa.sequence.ha.BitwiseLoadBalanceSequenceGen"> 
      <!-- 指定高可用序列底层序列生成序列后向左移位位数--> 
    <constructor-arg index="0" value="2"/> 
     <!-- 指定底层序列 --> 
    <constructor-arg index="1"> 
        <map> 
            <!-- key 为底层序列生成值左移位后或的下标--> 
        <entry key="0"> 
                <bean class="com.jd.coo.sa.sequence.AutoIncrementTablesSequenceGen"> 
                    <property name="dataSource" ref="dataSourceA"/> 
                    <property name="sequenceTableFormat" value="%s_code_%d"/> 
                </bean> 
            </entry> 
            <entry key="1"> 
                <bean class="com.jd.coo.sa.sequence.AutoIncrementTablesSequenceGen"> 
                    <property name="dataSource" ref="dataSourceB"/> 
                    <property name="sequenceTableFormat" value="%s_code_%d"/> 
                </bean> 
            </entry> 
            <entry key="2"> 
                <bean class="com.jd.coo.sa.sequence.AutoIncrementTablesSequenceGen"> 
                    <property name="dataSource" ref="dataSourceA"/> 
                    <property name="sequenceTableFormat" value="%s_code_%d"/> 
                </bean> 
            </entry> 
            <entry key="3"> 
                <bean class="com.jd.coo.sa.sequence.AutoIncrementTablesSequenceGen"> 
                    <property name="dataSource" ref="dataSourceB"/> 
                    <property name="sequenceTableFormat" value="%s_code_%d"/> 
                </bean> 
            </entry> 
        </map> 
    </constructor-arg> 
    <!-- 将timeout判断的阈值设置为一个很大的值， 避免timeout应用error的情况发生--> 
   <property name="timeoutThresholdInMilliseconds" value="200"/> 
    <!-- 超时多少次后会移出可用列表 --> 
   <property name="timeoutEventCountThreshold" value="3"/> 
    <!-- 计算超时异常的时间周期， 以秒为单位 --> 
   <property name="timeoutTimeThresholdInSeconds" value="60" /> 
    <!-- 移到不可用队列多长时间后会被重新放入可用队列 --> 
   <property name="onErrorRescueThresholdInSeconds" value="2000"/> 
</bean> 

四、高性能实现

单号生成只是业务操作的第一个步骤， 业务操作往往是复杂耗时的， 我们必须保证单号生成的性能， 使其几乎不会影响业务时间。

上述介绍的四种序列生成方式都是跨网络通过中间件获得的序列号，要进一步优化其性能，我们需要将序列放在离CPU更近的地方――内存中。我们使用如下两种方式将数字序列放到CPU更近的地方：

• 将内部序列值向左移位n位， 然后序列的最右n位在内存生成，一次生成2的n次方个数字序列， 然后放在内存队列中;
• 异步提前生成：实时计算序列号方法被调用的速度， 然后在异步线程(池)中生成最近x ms需要的序列，放入内存队列中备用

这两种方式并不一定都需要， 置放入内存队列中的数字序列越多，重启时丢失的也会越多。

其内部结构图示如下：

高性能序列使用的bean配置如下：

<bean class="com.jd.coo.sa.sequence.QueuedSequenceGen" id="queuedSequenceGen" init-method="start" destroy-method="stop"> 
    <!-- 指定内部序列， 通常是一个高可用的内部序列--> 
    <constructor-arg index="0" ref="haSequenceGen" /> 
    <!-- 指定内存中生成的bit位数--> 
    <property name="memoryBitLength" value="3"/> 
    <!--异步生成配置--> 
    <property name="enableAsync" value="true"/> 
    <property name="asyncTask"> 
        <bean class="com.jd.coo.sa.sequence.QueuedSequenceGen$AsyncTask"> 
            <constructor-arg index="0" ref="queuedSequenceGen"/> 
            <property name="loopSleepInterval" value="20"/> 
            <property name="reserveTimeInMilliseconds" value="10"/> 
        </bean> 
    </property> 
    <!--结束异步配置--> 
</bean> 

通过设定memoryBitLength，指定序列的最右的memoryBitLength位在内存中生成以提高生成的效率。 需要注意memoryBitLength值越大则在内存中的序列条数越多， 性能越高， 如果发生重启时丢失的序列也会越多， 要根据情况来设置。 支持异步生成序列值， 异步生成的速度会根据序列值消费速度自适应。

五、关于可扩展性

单号规则多种多样， 不能每增加一种规则就增加一个需求， 我们需要相对灵活的扩展性。 上述介绍了多种单号数字序列的生成方式， 和数字序列生成的高可用和高性能实现， 他们都实现了同一个接口：

/** 
 * 根据序列业务类型生成新序列的接口 
 * 
 * 生成序列是大致递增的 
 * 
 * Created by zhaoyukai on 2016/8/8. 
 */ 
public interface SequenceGen { 
    /** 
     * 生成序列 
     * @param ownerKey 序列业务key 
     * @return 新序列值 
     */ 
    long gen(String ownerKey); 
} 

有了这个统一的数字序列生成接口， 我们可以扩展多种不同的数字序列生成方式。 或者实现不同的高可用、高性能机制。

另外在本文的开头我们介绍了多种不同的单号生成规则， 要灵活满足这些不同的规则， 我们使用表达式来表达单号的组合规则， 通过将表达式解析成不同的Expression来实现不同单号部分的生成。 下面我们看一个单号表达式的示例， 如下是一个spring bean配置：

<!-- 单号生成bean, 在应用中注入此bean生成单号 --> 
<bean class="com.jd.coo.sa.sn.SmartSNGen" name="snGen"> 
    <!-- 序列号的表达式， 见下面说明 --> 
    <constructor-arg value="@{ownerKey, value=SN}-@{bean, ref=sequence}-@{com.jd.coo.sa.sn.expression.CheckSumExpression}"/> 
    <!-- 表达式解析器 --> 
    <property name="interpreter"> 
        <!-- 单号生成器的表达式解释器， 固定为SmartInterpreter--> 
        <bean class="com.jd.coo.sa.sn.expression.SmartInterpreter" name="smartInterpreter"/> 
    </property> 
</bean> 

SmartSNGen类负责根据表达式生成不同规则的单号，其构造函数第一个参数值：

@{ownerKey, value=SN}-@{bean, ref=sequence}- 

@{com.jd.coo.sa.sn.expression.CheckSumExpression} 即为表达式， 该表达式分为五个部分：

• @{ownerKey, value=SN} 在表达式生成的上下文中写入key为ownerKey值为SN的参数
• “-“ 表示静态表达式“-”
• @{bean, ref=sequence} 指定引用id为sequence的spring bean来生成表达式的一部分
• “-“表示静态表达式”-“
• @{com.jd.coo.sa.sn.expression.CheckSumExpression} 表示要创建指定类com.jd.coo.sa.sn.expression.CheckSumExpression的实例来生成表达式的一部分

该bean的interpreter属性指定了表达式的解释器，该解释器会将表达式值转换为实现了Expression接口的对象，通过该对象可以计算出单号的值。

表达式解释器查找表达式中的“@{”和“}”对，将其内部的表达式解析为动态表达式，将其他部分的表达式解析为静态表达式。动态表达式分为三种类型：

1. spring配置文件中的bean引用表达式
2. 指定上下文参数的表达式
3. 指定自定义类型的表达式

第3种表达式留出任意扩展自定义表达式的扩展点。

Expression接口定义如下：

import com.jd.coo.sa.sn.GenContext; 
 
/** 
 * SmartSNGen表达式接口 
 * 
 * Created by zhaoyukai on 2016/10/18. 
 */ 
public interface Expression { 
    /** 
     * 计算表达式的值 
     * @param context 表达式计算上下文， 表达式可以根据需要将计算中间值存储到上下文中， 以便在表达式之间共享数据 
     * @return 表达式计算值 
     */ 
    Object eval(GenContext context); 
 
    /** 
     * 计算优先级， 优先级越高越先执行， 如果表达式需要依赖其他表达式的值， 则要在依赖表达式计算之后执行 
     * @return 执行顺序 
     */ 
    ExecuteOrder executeOrder(); 
 
    /** 
     * 该表达式的最大字符串长度值 
     * 
     * @return 最大长度值 
     */ 
    int maxLength(); 
} 

通过实现此接口即可实现任何自定义的单号生成逻辑。如下是自定义的单号校验位生成表达式示例：

public class CheckSumExpressionimplements Expression { 
    public Object eval(GenContext context) { 
        Long newId = (Long) context.get("sequence"); 
        if (newId == null) { 
            throw newRuntimeException("sequence can not be null when calculate checksum"); 
        } 
        return newId * 9 % 31 % 10; 
    } 
    public ExecuteOrder executeOrder() { 
        return ExecuteOrder.AfterNormal; 
    } 
    public int maxLength() { 
        return 1; 
    } 
} 

总结

本文提到了多种单号数字序列生成方式，还介绍了高可用、高性能以及扩展性的实现方式。

1. 要根据场景， 并发量， 单号类型数量选择数字序列生成方式;
2. 不要裸奔， 要使用高可用+高性能序列生成器， 保证单号生成方式的可用性和性能;
3. 底层序列要从物理上做隔离， 否则出现硬件故障高可用机制也会时效;
4. 使用了多个底层序列生成方式时生成的序列是大致自增， 不能保证完全自增， 这是设计使然， 如果要保证完全自增， 则会出现单点， 在完全自增和单点的选择上， 我们选择了大致自增+非单点;
5. 高性能序列生成的性能可以通过调节其memoryBitLength属性来提高， 但要根据业务实际情况来做选择，memoryBitLength属性值越高在内存生成的序列数越多，性能越高， 但在进程停止时丢失的序列也会越多。