分布式系统中生成全局唯一ID方案

本文主要介绍在一个分布式系统中, 如何去生成全局唯一的 ID。

前言

单纯的生成全局ID并不是什么难题，生成全局的 unique ID 要满足以下需求:

• 保证生成的 ID 全局唯一
• 今后数据在多个 Shards 之间迁移不会受到 ID 生成方式的限制
• 生成的 ID 中最好能带上时间信息, 例如 ID 的前 k 位是 Timestamp, 这样能够直接通过对 ID 的前 k位的排序来对数据按时间排序
• 生成的 ID 最好不大于 64 bits
• 生成 ID 的速度有要求. 例如, 在一个高吞吐量的场景中, 需要每秒生成几万个 ID (Twitter 最新的峰值到达了 143,199
  Tweets/s, 也就是 10万+/秒)
• 整个服务最好没有单点

问题描述

当用户量激增 系统架构演进到一定的阶段，常常会设计到分库分表，
例如根据id对用户表(t_user)进行分表，[0,999999]保存在t_user_0表，[1000000,1999999]保存在t_user_1表中，依次类推，怎么给这些用户生成全局的 unique ID?

全局ID产生的几种方式

1、数据库自增id

当服务使用的数据库只有单库单表时，可以利用数据库的auto_increment来生成全局唯一递增ID.

优势：

• 简单，无需程序任何附加操作
• 保持定长的增量
• 在单表中能保持唯一性

劣势：

• 高并发下性能不佳，主键产生的性能上限是数据库服务器单机的上限。
• 水平扩展困难，在分布式数据库环境下，无法保证唯一性。

2、UUID

一般的编程语言中会自带UUID的实现，比如Java中UUID方式UUID.randomUUID().toString()，可以通过服务程序本地产生，ID的生成不依赖数据库的实现。

优势：

• 本地生成ID，不需要进行远程调用。
• 全局唯一不重复。
• 水平扩展能力非常好。

劣势：

• ID有128 bits,占用的空间较大，需要存成字符串类型，索引效率极低。
• 生成的ID中没有带Timestamp，无法保证趋势递增

3、Flickr 的全局主键生成方案

flickr巧妙地使用了MySQL的自增ID，及replace into语法，十分简洁地实现了分片ID生成功能。详见 ：http://code.flickr.net/2010/02/08/ticket-servers-distributed-unique-primary-keys-on-the-cheap/

比如创建64位的自增id：
首先，创建一个表：

CREATE TABLE `uid_sequence` (
  `id` bigint(20) unsigned NOT NULL auto_increment,
  `stub` char(1) NOT NULL default '',
  PRIMARY KEY  (`id`),
  UNIQUE KEY `stub` (`stub`)
) ENGINE=MyISAM;

SELECT * from uid_sequence 输出：
+-------------------+------+
| id | stub |
+-------------------+------+
| 72157623227190423 | a |

如果我需要一个全局的唯一的64位uid，则执行：

REPLACE INTO uid_sequence (stub) VALUES ('a');
SELECT LAST_INSERT_ID();

说明：

• 用 REPLACE INTO 代替 INSERT INTO 的好处是避免表行数太大，还要另外定期清理。
• stub 字段要设为唯一索引，这个 sequence 表只有一条纪录，但也可以同时为多张表生成全局主键，例如user_order_id。除非你需要表的主键是连续的，那么就另建一个 user_order_id_sequence 表。
• 经过实际对比测试，使用 MyISAM 比 Innodb 有更高的性能。

这里flickr使用两台数据库（也可以更多）作为自增序列生成，通过这两台机器做主备和负载均衡。

TicketServer1:
auto-increment-increment = 2
auto-increment-offset = 1

TicketServer2:
auto-increment-increment = 2
auto-increment-offset = 2

优点：

• 简单可靠。

缺点：

• id只是一个ID，没有带入时间，shardingId等信息。

4、Twitter Snowflake

twitter利用zookeeper实现了一个全局ID生成的服务Snowflake：https://github.com/twitter/snowflake

Snowflake 生成的 unique ID 的组成 (由高位到低位):

• 41 bits: Timestamp (毫秒级)
• 10 bits: 节点 ID (datacenter ID 5 bits + worker ID 5 bits)
• 12 bits: sequence number

一共 63 bits (最高位是 0)

unique ID 生成过程:

• 10 bits 的机器号, 在 ID 分配 Worker 启动的时候，从一个 Zookeeper 集群获取 (保证所有的 Worker 不会有重复的机器号)；
• 41 bits 的 Timestamp: 每次要生成一个新 ID 的时候，都会获取一下当前的 Timestamp, 然后分两种情况生成 sequence number；
• 如果当前的 Timestamp 和前一个已生成 ID 的 Timestamp 相同 (在同一毫秒中)，就用前一个 ID 的 sequence number + 1 作为新的 sequence number (12 bits); 如果本毫秒内的所有 ID 用完，等到下一毫秒继续 (这个等待过程中, 不能分配出新的 ID)；
• 如果当前的 Timestamp 比前一个 ID 的 Timestamp 大, 随机生成一个初始 sequence number (12bits) 作为本毫秒内的第一个 sequence number；

整个过程中只是在 Worker 启动的时候会对外部有依赖 (需要从 Zookeeper 获取 Worker 号) 之后就可以独立工作了，做到了去中心化。

Twitter官方提供的snowflake是使用Scala编写的，本人使用Java语言重写了，链接：https://github.com/TiFG/id-generator/tree/master/snowflake-java

5、Instagram的做法

instagram参考了flickr的方案，再结合twitter的经验，利用Postgre数据库的特性，实现了一个更简单可靠的ID生成服务。链接：http://instagram-engineering.tumblr.com/post/10853187575/sharding-ids-at-instagram


instagram unique ID 的组成:

• 41 bits: Timestamp (毫秒)
• 13 bits: 每个 logic Shard 的代号 (最大支持 8 x 1024 个 logic Shards)
• 10 bits: sequence number; 每个 Shard 每毫秒最多可以生成 1024 个 ID

以instagram举的例子为说明：
假定时间是September 9th, 2011, at 5:00pm，则毫秒数是1387263000（直接使用系统得到的从1970年开始的毫秒数）。那么先把时间数据放到ID里：
id = 1387263000 << (64-41)
再把分片ID放到时间里，假定用户ID是31341，有2000个逻辑分片，则分片ID是31341 % 2000 -> 1341：
id |= 1341 << (64-41-13)
最后，把自增序列放ID里，假定前一个序列是5000,则新的序列是5001：
id |= (5001 % 1024)
这样就得到了一个全局的分片ID。

我们可以通过INSERT语句的RETURNING 关键字，将ID返回给应用程序；
这里是the PL/PGSQL的完整例子（例子的schema ：insta5）：

CREATE OR REPLACE FUNCTION insta5.next_id(OUT result bigint) AS $$ 
DECLARE 
    our_epoch bigint := 1314220021721; 
    seq_id bigint; 
    now_millis bigint; 
    shard_id int := 5; 
BEGIN 
    SELECT nextval('insta5.table_id_seq') %% 1024 INTO seq_id;

    SELECT FLOOR(EXTRACT(EPOCH FROM clock_timestamp()) * 1000) INTO now_millis; 
    result := (now_millis - our_epoch) << 23; 
    result := result | (shard_id << 10); 
    result := result | (seq_id); 
END; 
$$ LANGUAGE PLPGSQL; 
And when creating the table, we do:

CREATE TABLE insta5.our_table ( 
    "id" bigint NOT NULL DEFAULT insta5.next_id(), 
    ...rest of table schema... 
)

6、其他方案

例如：MongoDB的ObjectId，采用12个字节的长度，并且将时间戳进行编码。链接：https://docs.mongodb.com/manual/reference/method/ObjectId/

参考资料

分布式唯一主键生成器