76.Go分布式ID总览

简介

在分布式系统中，生成唯一的ID是一个核心问题，特别是在需要确保数据完整性和避免冲突的场景中，比如作为链路追踪的trace_id，作为幂等性的主键id, 分布式锁中为了避免释放的是别人的锁时，本地保存的唯一id等。以下是对一些分布式唯一ID生成方法的详细阐述，包括它们的工作原理、优缺点，以及对网络依赖性的考量

一：UUID

实现原理

• 工作方式：UUID是通过一系列算法生成的128位数字，通常基于时间戳、计算机硬件标识符、随机数等元素。

• 全局唯一性：算法设计确保了即使在分布式系统中也能生成全局唯一的ID。

优缺点

• 优点：实现简单，无需网络交互，保证了ID的全球唯一性。

• 缺点：通常不能保证顺序性，ID较长，可能导致存储和索引效率低下。

• 网络依赖性：无网络依赖。

注意：工作中基本不使用uuid，这里是为了介绍分布式ID的完整性，以及UUID大家都熟知，所以一起介绍一下

uuid有两种包：

• github.com/google/uuid，仅支持V1和V4版本。

• github.com/gofrs/uuid ，支持全部五个版本。

下面简单说下五种版本的区别：

Version 1，基于mac地址、时间戳。

Version 2，based on timestamp，MAC address and POSIX UID/GID (DCE 1.1)

Version 3，Hash获取入参并对结果进行MD5。

Version 4，纯随机数。

Version 5，based on SHA-1 hashing of a named value。

特点

• 5个版本可供选择。

• 定长36字节，偏长。

• 无序。

package mian

import (
    "github.com/gofrs/uuid"
    "fmt"
)

func main() {
    // Version 1:时间+Mac地址
    id, err := uuid.NewV1()
    if err != nil {
        fmt.Printf("uuid NewUUID err:%+v", err)
    }
    // id: f0629b9a-0cee-11ed-8d44-784f435f60a4 length: 36
    fmt.Println("id:", id.String(), "length:", len(id.String()))

    // Version 4:是纯随机数,error会在内部报panic
    id, err = uuid.NewV4()
    if err != nil {
        fmt.Printf("uuid NewUUID err:%+v", err)
    }
    // id: 3b4d1268-9150-447c-a0b7-bbf8c271f6a7 length: 36
    fmt.Println("id:", id.String(), "length:", len(id.String()))
}

二、雪花算法

Twitter开发的一种生成64位ID的服务，基于时间戳、节点ID和序列号。

实现原理

• 工作方式：结合时间戳、工作机器的ID和序列号来生成64位的ID。时间戳保证了ID的唯一性和顺序性，工作机器ID保证了在多机环境下的唯一性。

• 时间戳：确保ID按时间顺序增长。

优缺点

• 优点：ID有时间顺序，长度适中，生成速度快。

• 缺点：对系统时钟有依赖，时钟回拨会导致ID冲突。（时钟回拨：服务器上的时间突然倒退回之前的时间。可能是人为的调整时间；也可能是服务器之间的时间校对。）

• 网络依赖性：通常无需网络交互，除非在多机器环境中同步机器ID。

由于雪花算法工作中还是可能用到的，所以介绍更详细一些。

Snowflake的核心思想是：使用41bit作为毫秒数，10bit作为机器的ID（5个bit是数据中心(DC,机房)），5个bit的机器ID(也可能是容器id)），12bit作为毫秒内的流水号（意味着每个节点在每毫秒可以产生 4096 个 ID），最后还有一个符号位，永远是01。这样可以确保每个ID都是唯一的。

package main

import(
    "fmt"
    "github.com/bwmarrin/snowflake"
)

func main() {
// 参数为机器id
  node, err := snowflake.NewNode(1)
    if err != nil {
      fmt.Println(err)
      return
    }

    id := node.Generate().String()    
    // id: 1552614118060462080 length: 19
    fmt.Println("id:", id, "length:", len(id))
}

三：Leaf-snowflake

时钟回拨

服务器上的时间突然倒退回之前的时间。可能是人为的调整时间；也可能是服务器之间的时间校对。

实现方案

用Zookeeper顺序增、全局唯一的节点版本号，替换了原有的机器地址。解决了时钟回拨的问题。强依赖ZooKeeper、大流量下可能存在网络瓶颈。下图的方案在Leaf-snowflake 中通过缓存一个ZooKeeper文件夹，提高可用性。运行时，时差小于5ms会等待时差两倍时间，如果时差大于5ms报警并停止启动。

四：数据库自增ID

实现原理

• 工作方式：基于中央数据库的序列生成器，如自增主键ID，每次请求时递增序列值。

• 顺序性：保证了生成ID的顺序性和唯一性。

优缺点

• 优点：简单可靠，保证顺序性。

• 缺点：

  • 可能成为系统的单点故障，对数据库有较高的依赖。
  • 由于有序递增，易暴露业务量。受到数据库性能限制，对高并发场景不友好。
  • bigint最大是2^64-1，但是数据库单表肯定放不了这么多，那么就涉及到分表。
  • 如果业务量真的太大了，主键的自增id涨到头了，会发生什么？报错：主键冲突。
  • 网络依赖性：高度依赖网络，所有ID生成请求都需要访问中央数据库。

正是由于这众多缺点，所以工作中是不用它的，不过可以作为一种思路。

五：使用Redis实现分布式ID生成

Redis是一个高性能的键值数据库，它可以用于生成分布式唯一标识符。

实现原理

• 利用Redis的原子操作：Redis提供了原子性的INCR和INCRBY命令，可用于生成唯一的递增数值。这些数值可以作为唯一ID。

• 分布式环境中的应用：在分布式环境中，可以部署多个Redis实例。每个实例可以独立生成ID，或者通过配置不同的起始值和步长来确保ID的全局唯一性。

• 高性能和可靠性：Redis的高性能确保了即使在高负载下也能快速生成ID，同时Redis的持久化和复制特性提高了系统的可靠性。

优缺点分析

• 优点：快速、简单且易于扩展；支持高并发环境。

• 缺点：依赖于外部服务（Redis），需要管理和维护额外的基础设施。

• 网络依赖性：高度依赖网络。

六：使用数据库分段（Leaf-segment）

这种方法涉及到使用数据库来生成和管理ID段，以实现分布式ID的生成。

实现原理

• ID段的分配：在数据库中预设一个起始ID和步长，每个应用实例或服务节点从数据库中获取一个ID段，然后在本地生成ID，直到该段用完再从数据库获取新的段。

• 减少数据库交互：每个节点在消耗完一个ID段之前不需要与数据库交互，这减少了数据库的负载，并提高了ID生成的效率。

• 避免冲突：通过确保每个节点获取的ID段不重叠，可以保证生成的ID在全系统范围内是唯一的。

优缺点分析

• 优点：减少了对数据库的频繁访问，提高了性能；适合在分布式系统中使用。

• 缺点：管理复杂性：管理不同的ID段需要额外的逻辑和数据库设计。可能的ID浪费：如果某个服务或实例在用完其ID段之前下线或重启，可能导致分配的ID未被完全使用。

• 网络依赖性：对网络的依赖相对较低，只在申请新的ID段时需要访问数据库。

实际例子
把数据库自增主键换成了计数法。每个业务分配一个biz_tag、并记录各业务最大id(max_id)、号段跨度(step)等数据。这样每次取号只需要更新biz_tag对应的max_id，就可以拿到step个id。比如业务business_a当前max_id是3000,取了1000个号在本地使用，使用完后，可以更新DB中对应的max_id为4000，这样business_a本地就有1000个新的id可以用了

优点：

1. 除了拥有自增ID的优点之外，在性能上比自增ID更好，扩展灵活。
2. 使用灵活、可配置性强。
3. 缓存机制，突发状况下短时间内能保证服务正常运转。

缺点：

1. id是有序自增，容易暴露信息，不可用于订单。
2. 在leaf的缓存ID用完再去获取新号段的间隙，性能会有波动。
3. 强依赖DB。

七 ：增强版Leaf-segment

增强版是对上面描述的缺点2进行的改进——双cache。在leaf的ID消耗到一定百分比时，常驻的后台进程会预先去号段服务获取新的号段并缓存。具体消耗百分比、及号段step根据业务消耗速度来定。

八：Tinyid

和增强版Leaf-segment类似，也是号段模式，提前加载号段。

九： 分布式键生成服务（如Zookeeper、etcd）

分布式协调服务在集群中生成唯一ID。

ZooKeeper是使用了Znode结构中的Zxid实现顺序增ID。Zookeeper类似一个文件系统，每个节点都有唯一路径名(Znode)，Zxid是个全局事务计数器，每个节点发生变化都会记录响应的版本(Zxid)，这个版本号是全局唯一且顺序递增的。这种架构还是出现了ZooKeeper的单点问题。

实现原理

• 工作方式：这些服务提供了分布式锁和原子性操作来生成唯一的ID。

• 协调机制：通过集群协调机制保证ID的唯一性和顺序性。

优缺点

• 优点：提供了更加灵活和可控的ID生成方式，适合分布式环境。

• 缺点：引入外部依赖，增加了系统的复杂性。

• 网络依赖性：高度依赖网络，因为它们需要在多个节点之间协调ID的生成。