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编程问答

6位顺序号生成_分布式id生成策略,我和面试官扯了一个半小时

發布時間：2024/7/19 编程问答 41 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 6位顺序号生成_分布式id生成策略,我和面试官扯了一个半小时小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

一、分布式系統帶來ID生成挑戰

在分布式系統中，往往需要對大量的數據如訂單、賬戶進行標識，以一個有意義的有序的序列號來作為全局唯一的ID。

而分布式系統中我們對ID生成器要求又有哪些呢?

全局唯一性：不能出現重復的ID號，既然是唯一標識，這是最基本的要求。
遞增：比較低要求的條件為趨勢遞增，即保證下一個ID一定大于上一個ID，而比較苛刻的要求是連續遞增，如1,2,3等等。
高可用高性能：ID生成事關重大，一旦掛掉系統崩潰;高性能是指必須要在壓測下表現良好，如果達不到要求則在高并發環境下依然會導致系統癱瘓。

二、業內方案簡介

1. UUID方案

優點：

能夠保證獨立性，程序可以在不同的數據庫間遷移，效果不受影響。

保證生成的ID不僅是表獨立的，而且是庫獨立的，這點在你想切分數據庫的時候尤為重要。

缺點：

性能問題：UUID太長，通常以36長度的字符串表示，對MySQL索引不利：如果作為數據庫主鍵，在InnoDB引擎下，UUID的無序性可能會引起數據位置頻繁變動，嚴重影響性能。

UUID無業務含義：很多需要ID能標識業務含義的地方不使用。

不滿足遞增要求。

2. snowflake方案

snowflake是twitter開源的分布式ID生成系統。?Twitter每秒有數十萬條消息的請求，每條消息都必須分配一條唯一的id，這些id還需要一些大致的順序(方便客戶端排序)，并且在分布式系統中不同機器產生的id必須不同。

snowflake的結構如下(每部分用-分開):

0 - 0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0 - 00000 - 00000 – 000000000000

第一位為未使用，接下來的41位為毫秒級時間(41位的長度可以使用69年)，然后是5位datacenterId和5位workerId(10位的長度最多支持部署1024個節點) ，最后12位是毫秒內的計數(12位的計數順序號支持每個節點每毫秒產生4096個ID序號)

一共加起來剛好64位，為一個Long型。

snowflake生成的ID整體上按照時間自增排序，并且整個分布式系統內不會產生ID碰撞(由datacenter和workerId作區分)，并且效率較高。snowflake的缺點是：

強依賴時鐘，如果主機時間回撥，則會造成重復ID

ID雖然有序，但是不連續

snowflake現在有較好的改良方案，比如美團點評開源的分布式ID框架：leaf，通過使用ZooKeeper解決了時鐘依賴問題。

3. 基于數據庫方案

利用數據庫生成ID是最常見的方案。能夠確保ID全數據庫唯一。其優缺點如下：

優點：

非常簡單，利用現有數據庫系統的功能實現，成本小，有DBA專業維護。

ID單調自增。

缺點：

不同數據庫語法和實現不同，數據庫遷移的時候或多數據庫版本支持的時候需要處理。

在單個數據庫或讀寫分離或一主多從的情況下，只有一個主庫可以生成。有單點故障的風險。

在性能達不到要求的情況下，比較難于擴展。

如果涉及多個系統需要合并或者數據遷移會比較麻煩。

分表分庫的時候會有麻煩。

4.其他方案簡介

通過Redis生成ID(主要通過redis的自增函數)、ZooKeeper生成ID、MongoDB的ObjectID等均可實現唯一性的要求。

三、我們在實際應用中使用的方案

1. 方案簡介

實際業務中，除了分布式ID全局唯一之外，還有是否趨勢/連續遞增的要求。根據具體業務需求的不同，有兩種可選方案。

一是只保證全局唯一，不保證連續遞增。二是既保證全局唯一，又保證連續遞增。

2. 基于ZooKeeper和本地緩存的方案

基于zookeeper分布式ID實現方案有很多種，本方案只使用ZooKeeper作為分段節點協調工具。每臺服務器首先從zookeeper緩存一段，如1-1000的id。

此時zk上保存最大值1000，每次獲取的時候都會進行判斷，如果id小于本地最大值，即id<=1000，則更新本地的當前值，如果id大于本地當前值，比如說是1001，則會將從zk再獲取下一個id數據段并在本地緩存。獲取數據段的時候需要更新zk節點數據，更新的時候使用curator的分布式鎖來實現。

由于id是從本機獲取，因此本方案的優點是性能非常好。缺點是如果多主機負載均衡，則會出現不連續的id，當然將遞增區段設置為1也能保證連續的id，但是效率會受到很大影響。

實現關鍵源碼如下：

import org.apache.curator.framework.CuratorFramework;
import org.apache.curator.framework.CuratorFrameworkFactory;
import org.apache.curator.framework.recipes.locks.InterProcessSemaphoreMutex;
import org.apache.curator.retry.ExponentialBackoffRetry;
import org.apache.zookeeper.CreateMode;
import org.apache.zookeeper.data.Stat;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

/**
* 根據開源項目mycat實現基于zookeeper的遞增序列號
*

* 只要配置好ZK地址和表名的如下屬性
* MINID 某線程當前區間內最小值
* MAXID 某線程當前區間內最大值
* CURID 某線程當前區間內當前值
*
* @author wangwanbin
* @version 1.0
* @time 2017/9/1
*/
public class ZKCachedSequenceHandler extends SequenceHandler {
? ?protected static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(ZKCachedSequenceHandler.class);
? ?private static final String KEY_MIN_NAME = ".MINID";// 1
? ?private static final String KEY_MAX_NAME = ".MAXID";// 10000
? ?private static final String KEY_CUR_NAME = ".CURID";// 888
? ?private final static long PERIOD = 1000;//每次緩存的ID段數量
? ?private static ZKCachedSequenceHandler instance = new ZKCachedSequenceHandler();
? ?/**
? ? * 私有化構造方法,單例模式
? ? */
? ?private ZKCachedSequenceHandler() {
? ?}
? ?/**
? ? * 獲取sequence工具對象的唯一方法
? ? *
? ? * @return
? ? */
? ?public static ZKCachedSequenceHandler getInstance() {
? ? ? ?return instance;
? ?}
? ?private Map> tableParaValMap = null;
? ?private CuratorFramework client;
? ?private InterProcessSemaphoreMutex interProcessSemaphore = null;
? ?public void loadZK() {
? ? ? ?try {
? ? ? ? ? ?this.client = CuratorFrameworkFactory.newClient(zkAddress, new ExponentialBackoffRetry(1000, 3));
? ? ? ? ? ?this.client.start();
? ? ? ?} catch (Exception e) {
? ? ? ? ? ?LOGGER.error("Error caught while initializing ZK:" + e.getCause());
? ? ? ?}
? ?}
? ?public Map getParaValMap(String prefixName) {
? ? ? ?if (tableParaValMap == null) {
? ? ? ? ? ?try {
? ? ? ? ? ? ? ?loadZK();
? ? ? ? ? ? ? ?fetchNextPeriod(prefixName);
? ? ? ? ? ?} catch (Exception e) {
? ? ? ? ? ? ? ?LOGGER.error("Error caught while loding configuration within current thread:" + e.getCause());
? ? ? ? ? ?}
? ? ? ?}
? ? ? ?Map paraValMap = tableParaValMap.get(prefixName);
? ? ? ?return paraValMap;
? ?}
? ?public Boolean fetchNextPeriod(String prefixName) {
? ? ? ?try {
? ? ? ? ? ?Stat stat = this.client.checkExists().forPath(PATH + "/" + prefixName + SEQ);
? ? ? ? ? ?if (stat == null || (stat.getDataLength() == 0)) {
? ? ? ? ? ? ? ?try {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?client.create().creatingParentsIfNeeded().withMode(CreateMode.PERSISTENT)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?.forPath(PATH + "/" + prefixName + SEQ, String.valueOf(0).getBytes());
? ? ? ? ? ? ? ?} catch (Exception e) {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?LOGGER.debug("Node exists! Maybe other instance is initializing!");
? ? ? ? ? ? ? ?}
? ? ? ? ? ?}
? ? ? ? ? ?if (interProcessSemaphore == null) {
? ? ? ? ? ? ? ?interProcessSemaphore = new InterProcessSemaphoreMutex(client, PATH + "/" + prefixName + SEQ);
? ? ? ? ? ?}
? ? ? ? ? ?interProcessSemaphore.acquire();
? ? ? ? ? ?if (tableParaValMap == null) {
? ? ? ? ? ? ? ?tableParaValMap = new ConcurrentHashMap<>();
? ? ? ? ? ?}
? ? ? ? ? ?Map paraValMap = tableParaValMap.get(prefixName);
? ? ? ? ? ?if (paraValMap == null) {
? ? ? ? ? ? ? ?paraValMap = new ConcurrentHashMap<>();
? ? ? ? ? ? ? ?tableParaValMap.put(prefixName, paraValMap);
? ? ? ? ? ?}
? ? ? ? ? ?long now = Long.parseLong(new String(client.getData().forPath(PATH + "/" + prefixName + SEQ)));
? ? ? ? ? ?client.setData().forPath(PATH + "/" + prefixName + SEQ, ((now + PERIOD) + "").getBytes());
? ? ? ? ? ?if (now == 1) {
? ? ? ? ? ? ? ?paraValMap.put(prefixName + KEY_MAX_NAME, PERIOD + "");
? ? ? ? ? ? ? ?paraValMap.put(prefixName + KEY_MIN_NAME, "1");
? ? ? ? ? ? ? ?paraValMap.put(prefixName + KEY_CUR_NAME, "0");
? ? ? ? ? ?} else {
? ? ? ? ? ? ? ?paraValMap.put(prefixName + KEY_MAX_NAME, (now + PERIOD) + "");
? ? ? ? ? ? ? ?paraValMap.put(prefixName + KEY_MIN_NAME, (now) + "");
? ? ? ? ? ? ? ?paraValMap.put(prefixName + KEY_CUR_NAME, (now) + "");
? ? ? ? ? ?}
? ? ? ?} catch (Exception e) {
? ? ? ? ? ?LOGGER.error("Error caught while updating period from ZK:" + e.getCause());
? ? ? ?} finally {
? ? ? ? ? ?try {
? ? ? ? ? ? ? ?interProcessSemaphore.release();
? ? ? ? ? ?} catch (Exception e) {
? ? ? ? ? ? ? ?LOGGER.error("Error caught while realeasing distributed lock" + e.getCause());
? ? ? ? ? ?}
? ? ? ?}
? ? ? ?return true;
? ?}
? ?public Boolean updateCURIDVal(String prefixName, Long val) {
? ? ? ?Map paraValMap = tableParaValMap.get(prefixName);
? ? ? ?if (paraValMap == null) {
? ? ? ? ? ?throw new IllegalStateException("ZKCachedSequenceHandler should be loaded first!");
? ? ? ?}
? ? ? ?paraValMap.put(prefixName + KEY_CUR_NAME, val + "");
? ? ? ?return true;
? ?}
? ?/**
? ? * 獲取自增ID
? ? *
? ? * @param sequenceEnum
? ? * @return
? ? */
? ?@Override
? ?public synchronized long nextId(SequenceEnum sequenceEnum) {
? ? ? ?String prefixName = sequenceEnum.getCode();
? ? ? ?Map paraMap = this.getParaValMap(prefixName);
? ? ? ?if (null == paraMap) {
? ? ? ? ? ?throw new RuntimeException("fetch Param Values error.");
? ? ? ?}
? ? ? ?Long nextId = Long.parseLong(paraMap.get(prefixName + KEY_CUR_NAME)) + 1;
? ? ? ?Long maxId = Long.parseLong(paraMap.get(prefixName + KEY_MAX_NAME));
? ? ? ?if (nextId > maxId) {
? ? ? ? ? ?fetchNextPeriod(prefixName);
? ? ? ? ? ?return nextId(sequenceEnum);
? ? ? ?}
? ? ? ?updateCURIDVal(prefixName, nextId);
? ? ? ?return nextId.longValue();
? ?}
? ?public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException {
? ? ? ?long startTime = System.currentTimeMillis(); ? //獲取開始時間
? ? ? ?final ZKCachedSequenceHandler sequenceHandler = getInstance();
? ? ? ?sequenceHandler.loadZK();
? ? ? ?new Thread() {
? ? ? ? ? ?public void run() {
? ? ? ? ? ? ? ?long startTime2 = System.currentTimeMillis(); ? //獲取開始時間
? ? ? ? ? ? ? ?for (int i = 0; i < 5000; i++) {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?System.out.println("線程1 " + sequenceHandler.nextId(SequenceEnum.ACCOUNT));
? ? ? ? ? ? ? ?}
? ? ? ? ? ? ? ?long endTime2 = System.currentTimeMillis(); //獲取結束時間
? ? ? ? ? ? ? System.out.println("程序運行時間1：" + (endTime2 - startTime2) + "ms");
? ? ? ? ? ?}
? ? ? ?}.start();
? ? ? ?for (int i = 0; i < 5000; i++) {
? ? ? ? ? ?System.out.println("線程2 " + sequenceHandler.nextId(SequenceEnum.ACCOUNT));
? ? ? ?}
? ? ? ?long endTime = System.currentTimeMillis(); //獲取結束時間
? ? ? System.out.println("程序運行時間2：" + (endTime - startTime) + "ms");
? ?}
}

可以看到，由于不需要進行過多的網絡消耗，緩存式的zk協調方案性能相當了得，生成10000個id僅需553ms(兩個線程耗時較長者) , 平均每個id消耗0.05ms。

?3.利用zk的永久自增節點策略實現持續遞增ID

使用zk的永久sequence策略創建節點，并獲取返回值，然后刪除前一個節點，這樣既防止zk服務器存在過多的節點，又提高了效率；節點刪除采用線程池來統一處理，提高響應速度。

優點：能創建連續遞增的ID。

關鍵實現代碼如下：

package com.zb.p2p.utils;

import com.zb.p2p.enums.SequenceEnum;
import org.apache.commons.pool2.PooledObject;
import org.apache.commons.pool2.PooledObjectFactory;
import org.apache.commons.pool2.impl.DefaultPooledObject;
import org.apache.commons.pool2.impl.GenericObjectPool;
import org.apache.commons.pool2.impl.GenericObjectPoolConfig;
import org.apache.curator.framework.CuratorFramework;
import org.apache.curator.framework.CuratorFrameworkFactory;
import org.apache.curator.retry.ExponentialBackoffRetry;
import org.apache.zookeeper.CreateMode;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.Iterator;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
* 基于zk的永久型自增節點PERSISTENT_SEQUENTIAL實現
* 每次生成節點后會使用線程池執行刪除節點任務
* Created by wangwanbin on 2017/9/5.
*/
public class ZKIncreaseSequenceHandler extends SequenceHandler implements PooledObjectFactory {
? ?protected static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(ZKCachedSequenceHandler.class);
? ?private static ZKIncreaseSequenceHandler instance = new ZKIncreaseSequenceHandler();
? ?private static ExecutorService fixedThreadPool = Executors.newFixedThreadPool(1);
? ?private GenericObjectPool genericObjectPool;
? ?private Queue preNodes = new ConcurrentLinkedQueue<>();
? ?private static String ZK_ADDRESS = ""; //192.168.0.65
? ?private static String PATH = "";// ?/sequence/p2p
? ?private static String SEQ = "";//seq;
? ?/**
? ? * 私有化構造方法,單例模式
? ? */
? ?private ZKIncreaseSequenceHandler() {
? ? ? ?GenericObjectPoolConfig config = new GenericObjectPoolConfig();
? ? ? ?config.setMaxTotal(4);
? ? ? ?genericObjectPool = new GenericObjectPool(this, config);
? ?}
? ?/**
? ? * 獲取sequence工具對象的唯一方法
? ? *
? ? * @return
? ? */
? ?public static ZKIncreaseSequenceHandler getInstance(String zkAddress, String path, String seq) {
? ? ? ?ZK_ADDRESS = zkAddress;
? ? ? ?PATH = path;
? ? ? ?SEQ = seq;
? ? ? ?return instance;
? ?}
? ?@Override
? ?public long nextId(final SequenceEnum sequenceEnum) {
? ? ? ?String result = createNode(sequenceEnum.getCode());
? ? ? ?final String idstr = result.substring((PATH + "/" + sequenceEnum.getCode() + "/" + SEQ).length());
? ? ? ?final long id = Long.parseLong(idstr);
? ? ? ?preNodes.add(id);
? ? ? ?//刪除上一個節點
? ? ? ?fixedThreadPool.execute(new Runnable() {
? ? ? ? ? ?@Override
? ? ? ? ? ?public void run() {
? ? ? ? ? ? ? ?Iterator iterator = preNodes.iterator();
? ? ? ? ? ? ? ?if (iterator.hasNext()) {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?long preNode = iterator.next();
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?if (preNode < id) {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?final String format = "%0" + idstr.length() + "d";
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?String preIdstr = String.format(format, preNode);
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?final String prePath = PATH + "/" + sequenceEnum.getCode() + "/" + SEQ + preIdstr;
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?CuratorFramework client = null;
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?try {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?client = (CuratorFramework) genericObjectPool.borrowObject();
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?client.delete().forPath(prePath);
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?preNodes.remove(preNode);
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?} catch (Exception e) {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?LOGGER.error("delete preNode error", e);
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?} finally {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?if (client != null)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?genericObjectPool.returnObject(client);
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?}
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?}
? ? ? ? ? ? ? ?}
? ? ? ? ? ?}
? ? ? ?});
? ? ? ?return id;
? ?}
? ?private String createNode(String prefixName) {
? ? ? ?CuratorFramework client = null;
? ? ? ?try {
? ? ? ? ? ?client = (CuratorFramework) genericObjectPool.borrowObject();
? ? ? ? ? ?String result = client.create().creatingParentsIfNeeded().withMode(CreateMode.PERSISTENT_SEQUENTIAL)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?.forPath(PATH + "/" + prefixName + "/" + SEQ, String.valueOf(0).getBytes());
? ? ? ? ? ?return result;
? ? ? ?} catch (Exception e) {
? ? ? ? ? ?throw new RuntimeException("create zookeeper node error", e);
? ? ? ?} finally {
? ? ? ? ? ?if (client != null)
? ? ? ? ? ? ? ?genericObjectPool.returnObject(client);
? ? ? ?}
? ?}
? ?public static void main(String[] args) {
? ? ? ?ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1);
? ? ? ?long startTime = System.currentTimeMillis(); ? //獲取開始時間
? ? ? ?final ZKIncreaseSequenceHandler sequenceHandler = ZKIncreaseSequenceHandler.getInstance("192.168.0.65", "/sequence/p2p", "seq");
? ? ? ?int count = 10;
? ? ? ?final CountDownLatch cd = new CountDownLatch(count);
? ? ? ?for (int i = 0; i < count; i++) {
? ? ? ? ? ?executorService.execute(new Runnable() {
? ? ? ? ? ? ? ?public void run() {
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?System.out.printf("線程 %s %d \n", Thread.currentThread().getId(), sequenceHandler.nextId(SequenceEnum.ORDER));
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?cd.countDown();
? ? ? ? ? ? ? ?}
? ? ? ? ? ?});
? ? ? ?}
? ? ? ?try {
? ? ? ? ? ?cd.await();
? ? ? ?} catch (InterruptedException e) {
? ? ? ? ? ?LOGGER.error("Interrupted thread",e);
? ? ? ? ? ?Thread.currentThread().interrupt();
? ? ? ?}
? ? ? ?long endTime = System.currentTimeMillis(); //獲取結束時間
? ? ? System.out.println("程序運行時間：" + (endTime - startTime) + "ms");
? ?}
? ?@Override
? ?public PooledObject makeObject() throws Exception {
? ? ? ?CuratorFramework client = CuratorFrameworkFactory.newClient(ZK_ADDRESS, new ExponentialBackoffRetry(1000, 3));
? ? ? ?client.start();
? ? ? ?return new DefaultPooledObject<>(client);
? ?}
? ?@Override
? ?public void destroyObject(PooledObject p) throws Exception {
? ?}
? ?@Override
? ?public boolean validateObject(PooledObject p) {
? ? ? ?return false;
? ?}
? ?@Override
? ?public void activateObject(PooledObject p) throws Exception {
? ?}
? ?@Override
? ?public void passivateObject(PooledObject p) throws Exception {
? ?}
}

測試結果如下，生成10000個id消耗=9443ms(兩個線程耗時較長者), ?平均每個id消耗0.9ms。

這還只是單zk連接的情況下，如果使用連接池來維護多個zk的連接，效率將成倍的提升。

四、結語

分布式ID生成器的實現有很多種。目前各方案也都各有特點。我們可以根據業務的具體要求，選擇實現合適的方案。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的6位顺序号生成_分布式id生成策略,我和面试官扯了一个半小时的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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