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如何在高并发分布式系统中生成全局唯一Id

 

又一个多月没冒泡了,其实最近学了些东西,但是没有安排时间整理成博文,后续再奉上。最近还写了一个发邮件的组件以及性能测试请看 《NET开发邮件发送功能的全面教程(含邮件组件源码)》 ,还弄了个MSSQL参数化语法生成器,会在9月整理出来,有兴趣的园友可以关注下我的博客。

 

分享原由,最近公司用到,并且在找最合适的方案,希望大家多参与讨论和提出新方案。我和我的小伙伴们也讨论了这个主题,我受益匪浅啊……

 

博文示例:

1.         GUID生成Int64值后是否还具有唯一性测试

2.         Random生成高唯一性随机码

 

今天分享的主题是:如何在高并发分布式系统中生成全局唯一Id

但这篇博文实际上是“半分享半讨论”的博文:

1)         半分享是我将说下我所了解到的关于今天主题所涉及的几种方案。

2)         半讨论是我希望大家对各个方案都说说自己的见解,更加希望大家能提出更好的方案。(我还另外提问在此:http://q.cnblogs.com/q/53552/上面已有几位园友回复(感谢dudu站长的参与),若你们有见解和新方案就在本博文留言吧,方便我整理更新到博文中,谢谢!)

 

我了解的方案如下……………………………………………………………………

1、  使用数据库自增Id

优势:编码简单,无需考虑记录唯一标识的问题。

缺陷:

1)         在大表做水平分表时,就不能使用自增Id,因为Insert的记录插入到哪个分表依分表规则判定决定,若是自增Id,各个分表中Id就会重复,在做查询、删除时就会有异常。

2)         在对表进行高并发单记录插入时需要加入事物机制,否则会出现Id重复的问题。

3)         在业务上操作父、子表(即关联表)插入时,需要在插入数据库之前获取max(id)用于标识父表和子表关系,若存在并发获取max(id)的情况,max(id)会同时被别的线程获取到。

4)         等等。

结论:适合小应用,无需分表,没有高并发性能要求。

2、  单独开一个数据库,获取全局唯一的自增序列号或各表的MaxId

1)         使用自增序列号表

专门一个数据库,生成序列号。开启事物,每次操作插入时,先将数据插入到序列表并返回自增序列号用于做为唯一Id进行业务数据插入。

注意:需要定期清理序列表的数据以保证获取序列号的效率;插入序列表记录时要开启事物。

使用此方案的问题是:每次的查询序列号是一个性能损耗;如果这个序列号列暴了,那就杯具了,你不知道哪个表使用了哪个序列,所以就必须换另一种唯一Id方式如GUID

2)         使用MaxId表存储各表的MaxId

专门一个数据库,记录各个表的MaxId值,建一个存储过程来取Id,逻辑大致为:开启事物,对于在表中不存在记录,直接返回一个默认值为1的键值,同时插入该条记录到table_key表中。而对于已存在的记录,key值直接在原来的key基础上加1更新到MaxId表中并返回key

使用此方案的问题是:每次的查询MaxId是一个性能损耗;不过不会像自增序列表那么容易列暴掉,因为是摆表进行划分的。

详细可参考:《使用MaxId表存储各表的MaxId值,以获取全局唯一Id

                   我截取此文中的sql语法如下:

第一步:创建表
create table table_key
(
       table_name   varchar(50) not null primary key,
       key_value    int         not null
)


第二步:创建存储过程来取自增ID
create procedure up_get_table_key
(
   @table_name     varchar(50),
   @key_value      int output
)
as
begin
     begin tran
         declare @key  int
         
         --initialize the key with 1
         set @key=1
         --whether the specified table is exist
         if not exists(select table_name from table_key where table_name=@table_name)
            begin
              insert into table_key values(@table_name,@key)        --default key vlaue:1
            end
         -- step increase
         else    
            begin
                select @key=key_value from table_key with (nolock) where table_name=@table_name
                set @key=@key+1
                --update the key value by table name
                update table_key set key_value=@key where table_name=@table_name
            end
        --set ouput value
    set @key_value=@key

    --commit tran
    commit tran
        if @@error>0
      rollback tran
end

感谢园友的好建议:

1.         @_)建议给table_key中为每个表初始化一条key1的记录,这样就不用每次if来判断了。

2.         @乐活的CodeMonkey)建议给存储过程中数据库事物隔离级别提高一下,因为出现在CS代码层上使用如下事物代码会导致并发重复问题.

TransactionOptions option = new TransactionOptions();
option.IsolationLevel = IsolationLevel.ReadUncommitted;
option.Timeout = new TimeSpan(0, 10, 0);
 
using (TransactionScope transaction = new TransactionScope(TransactionScopeOption.RequiresNew, option))
{
        //调用存储过程
}

在咨询过DBA后,这个存储过程提高数据库隔离级别会加大数据库访问压力,导致响应超时问题。所以这个建议我们只能在代码编写宣导上做

3.         @土豆烤肉)存储过程中不使用事物,一旦使用到事物性能就急剧下滑。直接使用UPDATE获取到的更新锁,即SQL SERVER会保证UPDATE的顺序执行。(已在用户过千万的并发系统中使用)

create procedure [dbo].[up_get_table_key]
(
   @table_name     varchar(50),
   @key_value      int output
)
as
begin

	SET NOCOUNT ON;
	DECLARE @maxId INT
	UPDATE table_key
	SET @maxId = key_value,key_value = key_value + 1 
	WHERE table_name=@table_name
	SELECT @maxId

end

结论:适用中型应用,此方案解决了分表,关联表插入记录的问题。但是无法满足高并发性能要求。同时也存在单点问题,如果这个数据库cash掉的话……

我们目前正头痛这个问题,因为我们的高并发常常出现数据库访问超时,瓶颈就在这个MaxId表。我们也有考虑使用分布式缓存(egmemcached)缓存第一次访问MaxId表数据,以提高再次访问速度,并定时用缓存数据更新一次MaxId表,但我们担心的问题是:

a)         倘若缓存失效或暴掉了,那缓存的MaxId没有更新到数据库导致数据丢失,必须停掉站点来执行Select max(id)各个表来同步MaxId表。

b)         分布式缓存不是一保存下去,其他服务器上就立马可以获取到的,即数据存在不确定性。(其实也是缓存的一个误用,缓存应该用来存的是频繁访问并且很少改动的内容)

         改进方案:

整体思想:建立两台以上的数据库ID生成服务器,每个服务器都有一张记录各表当前IDMaxId表,但是MaxId表中Id的增长步长是服务器的数量,起始值依次错开,这样相当于把ID的生成散列到每个服务器节点上。例如:如果我们设置两台数据库ID生成服务器,那么就让一台的MaxId表的Id起始值为1(或当前最大Id+1),每次增长步长为2,另一台的MaxId表的ID起始值为2(或当前最大Id+2),每次步长也为2。这样就将产生ID的压力均匀分散到两台服务器上,同时配合应用程序控制,当一个服务器失效后,系统能自动切换到另一个服务器上获取ID,从而解决的单点问题保证了系统的容错。(Flickr思想)

但是要注意:1、多服务器就必须面临负载均衡的问题;2、倘若添加新节点,需要对原有数据重新根据步长计算迁移数据。

结论:适合大型应用,生成Id较短,友好性比较好。(强烈推荐)

3、  Sequence特性

这个特性在SQL Server 2012Oracle中可用。这个特性是数据库级别的,允许在多个表之间共享序列号。它可以解决分表在同一个数据库的情况,但倘若分表放在不同数据库,那将共享不到此序列号。(egSequence使用场景:你需要在多个表之间公用一个流水号。以往的做法是额外建立一个表,然后存储流水号)

相关Sequence特性资料:

SQL Server2012中的SequenceNumber尝试

SQL Server 2012 开发新功能——序列对象(Sequence

identitysequence的区别

Difference between Identity and Sequence in SQL Server 2012

结论:适用中型应用,此方案不能完全解决分表问题,而且无法满足高并发性能要求。同时也存在单点问题,如果这个数据库cash掉的话……

4、  通过数据库集群编号+集群内的自增类型两个字段共同组成唯一主键

优点:实现简单,维护也比较简单。

缺点:关联表操作相对比较复杂,需要两个字段。并且业务逻辑必须是一开始就设计为处理复合主键的逻辑,倘若是到了后期,由单主键转为复合主键那改动成本就太大了。

结论:适合大型应用,但需要业务逻辑配合处理复合主键。

5、  通过设置每个集群中自增 ID 起始点(auto_increment_offset),将各个集群的ID进行绝对的分段来实现全局唯一。当遇到某个集群数据增长过快后,通过命令调整下一个 ID 起始位置跳过可能存在的冲突。

优点:实现简单,且比较容易根据 ID 大小直接判断出数据处在哪个集群,对应用透明。缺点:维护相对较复杂,需要高度关注各个集群 ID 增长状况。

结论:适合大型应用,但需要高度关注各个集群 ID 增长状况。

6、  GUIDGlobally Unique Identifier全局唯一标识符

GUID通常表示成3216进制数字(09AF)组成的字符串,如:{21EC2020-3AEA-1069-A2DD-08002B30309D},它实质上是一个128位长的二进制整数。

GUID制定的算法中使用到用户的网卡MAC地址,以保证在计算机集群中生成唯一GUID;在相同计算机上随机生成两个相同GUID的可能性是非常小的,但并不为0。所以,用于生成GUID的算法通常都加入了非随机的参数(如时间),以保证这种重复的情况不会发生。

优点:GUID是最简单的方案,跨平台,跨语言,跨业务逻辑,全局唯一的Id,数据间同步、迁移都能简单实现。

缺点:

1)         存储占了32位,且无可读性,返回GUID给客户显得很不专业;

2)         占用了珍贵的聚集索引,一般我们不会根据GUID去查单据,并且插入时因为GUID是无需的,在聚集索引的排序规则下可能移动大量的记录。

有两位园友主推GUID,无须顺序GUID方案原因如下:

@徐少侠           GUID无序在并发下效率高,并且一个数据页内添加新行,是在B树内增加,本质没有什么数据被移动,唯一可能的,是页填充因子满了,需要拆页。而GUID方案导致的拆页比顺序ID要低太多了(数据库不是很懂,暂时无法断定,大家自己认识)

@无色                我们要明白id是什么,是身份标识,标识身份是id最大的业务逻辑,不要引入什么时间,什么用户业务逻辑,那是另外一个字段干的事,使用base64(guid,uuid),是通盘考虑,完全可以更好的兼容nosql,key-value存储。

(推荐),但是倘若你系统一开始没有规划一个业务Id,那么将导致大量的改动,所以这个方案的最佳状态是一开始就设计业务Id,当然业务Id的唯一性也是我们要考虑的。

结论:适合大型应用;生成的Id不够友好;占据了32位;索引效率较低。

改进:

1)         @dudu提点)在SQL Server 2005中新增了NEWSEQUENTIALID函数。

详细请看:《理解newid()newsequentialid()

在指定计算机上创建大于先前通过该函数生成的任何 GUID GUID newsequentialid 产生的新的值是有规律的,则索引B+树的变化是有规律的,就不会导致索引列插入时移动大量记录的问题。

但一旦服务器重新启动,其再次生成的GUID可能反而变小(但仍然保持唯一)。这在很大程度上提高了索引的性能,但并不能保证所生成的GUID一直增大。SQL的这个函数产生的GUID很简单就可以预测,因此不适合用于安全目的。

a)         只能做为数据库列的DEFAULT VALUE,不能执行类似SELECT NEWSEQUENTIALID()的语句.

b)         如何获得生成的GUID.

如果生成的GUID所在字段做为外键要被其他表使用,我们就需要得到这个生成的值。通常,PK是一个IDENTITY字段,我们可以在INSERT之后执行 SELECT SCOPE_IDENTITY()来获得新生成的ID,但是由于NEWSEQUENTIALID()不是一个INDETITY类型,这个办法是做不到了,而他本身又只能在默认值中使用,不可以事先SELECT好再插入,那么我们如何得到呢?有以下两种方法:

--1. 定义临时表变量 
DECLARE @outputTable TABLE(ID uniqueidentifier)
INSERT INTO TABLE1(col1, col2)
OUTPUT INSERTED.ID INTO @outputTable
VALUES('value1', 'value2')
SELECT ID FROM @outputTable
 
--2. 标记ID字段为ROWGUID(一个表只能有一个ROWGUID)
INSERT INTO TABLE1(col1, col2)
VALUES('value1', 'value2')
--在这里,ROWGUIDCOL其实相当于一个别名
SELECT ROWGUIDCOL FROM TABLE1

结论:适合大型应用,解决了GUID无序特性导致索引列插入移动大量记录的问题。但是在关联表插入时需要返回数据库中生成的GUID;生成的Id不够友好;占据了32位。

2)         COMB”(combined guid/timestamp,意思是:组合GUID/时间截)

(感谢:@ ethan-luo @lcs-帅

COMB数据类型的基本设计思路是这样的:既然GUID数据因毫无规律可言造成索引效率低下,影响了系统的性能,那么能不能通过组合的方式,保留GUID10个字节,用另6个字节表示GUID生成的时间(DateTime),这样我们将时间信息与GUID组合起来,在保留GUID的唯一性的同时增加了有序性,以此来提高索引效率。

NHibernate中,COMB型主键的生成代码如下所示:

        /// <summary> /// Generate a new <see cref="Guid"/> using the comb algorithm. 
        /// </summary> 
        private Guid GenerateComb()
        {
            byte[] guidArray = Guid.NewGuid().ToByteArray();

            DateTime baseDate = new DateTime(1900, 1, 1);
            DateTime now = DateTime.Now;

            // Get the days and milliseconds which will be used to build    
            //the byte string    
            TimeSpan days = new TimeSpan(now.Ticks - baseDate.Ticks);
            TimeSpan msecs = now.TimeOfDay;

            // Convert to a byte array        
            // Note that SQL Server is accurate to 1/300th of a    
            // millisecond so we divide by 3.333333    
            byte[] daysArray = BitConverter.GetBytes(days.Days);
            byte[] msecsArray = BitConverter.GetBytes((long)
              (msecs.TotalMilliseconds / 3.333333));

            // Reverse the bytes to match SQL Servers ordering    
            Array.Reverse(daysArray);
            Array.Reverse(msecsArray);

            // Copy the bytes into the guid    
            Array.Copy(daysArray, daysArray.Length - 2, guidArray,
              guidArray.Length - 6, 2);
            Array.Copy(msecsArray, msecsArray.Length - 4, guidArray,
              guidArray.Length - 4, 4);

            return new Guid(guidArray);
        }

结论:适合大型应用。即保留GUID的唯一性的同时增加了GUID有序性,提高了索引效率;解决了关联表业务问题;生成的Id不够友好;占据了32位。(强烈推荐)

3)         长度问题,使用Base64Ascii85编码解决。(要注意的是上述有序性方案在进行编码后也会变得无序)

如:

GUID{3F2504E0-4F89-11D3-9A0C-0305E82C3301}

当需要使用更少的字符表示GUID时,可能会使用Base64Ascii85编码。Base64编码的GUID2224个字符,如:

7QDBkvCA1+B9K/U0vrQx1A

7QDBkvCA1+B9K/U0vrQx1A==

Ascii85编码后是20个字符,如:

5:$Hj:Pf\4RLB9%kU\Lj

                   代码如:

         Guid guid = Guid.NewGuid();

         byte[] buffer = guid.ToByteArray();

         var shortGuid = Convert.ToBase64String(buffer);

                   结论:适合大型应用,缩短GUID的长度。生成的Id不够友好;索引效率较低。

7、  GUID TO Int64

对于GUID的可读性,有园友给出如下方案:(感谢:@黑色的羽翼

/// <summary>
/// 根据GUID获取19位的唯一数字序列
/// </summary>
public static long GuidToLongID()
{
    byte[] buffer = Guid.NewGuid().ToByteArray();
    return BitConverter.ToInt64(buffer, 0);
}

即将GUID转为了19位数字,数字反馈给客户可以一定程度上缓解友好性问题。EG:

GUID: cfdab168-211d-41e6-8634-ef5ba6502a22    (不友好)

Int64: 5717212979449746068                                      (友好性还行)

不过我的小伙伴说ToInt64后就不唯一了。因此我专门写了个并发测试程序,后文将给出测试结果截图及代码简单说明。

(唯一性、业务适合性是可以权衡的,这个唯一性肯定比不过GUID的,一般程序上都会安排错误处理机制,比如异常后执行一次重插的方案……)

结论:适合大型应用,生成相对友好的Id(纯数字)------因简单和业务友好性而推荐。

8、  自己写编码规则

优点:全局唯一Id,符合业务后续长远的发展(可能具体业务需要自己的编码规则等等)。

缺陷:根据具体编码规则实现而不同;还要考虑倘若主键在业务上允许改变的,会带来外键同步的麻烦。

我这边写两个编码规则方案:(可能不唯一,只是个人方案,也请大家提出自己的编码规则

1)         12位年月日时分秒+5位随机码+3位服务器编码  (这样就完全单机完成生成全局唯一编码)---20

缺陷:因为附带随机码,所以编码缺少一定的顺序感。(生成高唯一性随机码的方案稍后给给出程序)

2)         12位年月日时分秒+5位流水码+3位服务器编码 (这样流水码就需要结合数据库和缓存)---20位   (将影响顺序权重大的“流水码”放前面,影响顺序权重小的服务器编码放后)

缺陷:因为使用到流水码,流水码的生成必然会遇到和MaxId、序列表、Sequence方案中类似的问题

(为什么没有毫秒?毫秒也不具备业务可读性,我改用5位随机码、流水码代替,推测1秒内应该不会下99999[五位]条语法)

 

结论:适合大型应用,从业务上来说,有一个规则的编码能体现产品的专业成度。(强烈推荐)

 

 

GUID生成Int64值后是否还具有唯一性测试

测试环境

clip_image002

主要测试思路:

1.         根据内核数使用多线程并发生成Guid后再转为Int64位值,放入集合AB、…N,多少个线程就有多少个集合。

2.         再使用Dictionary字典高效查key的特性,将步骤1中生成的多个集合全部加到Dictionary中,看是否有重复值。

示例注解:测了 Dictionary<long,bool> 最大容量就在5999470左右,所以每次并发生成的唯一值总数控制在此范围内,让测试达到最有效话。

主要代码:

            for (int i = 0; i <= Environment.ProcessorCount - 1; i++)
            {
                ThreadPool.QueueUserWorkItem(
                    (list) =>
                    {
                        List<long> tempList = list as List<long>;
                        for (int j = 1; j < listLength; j++)
                        {
                            byte[] buffer = Guid.NewGuid().ToByteArray();
                            tempList.Add(BitConverter.ToInt64(buffer, 0));
                        }
                        barrier.SignalAndWait();
                    }, totalList[i]);
            }

测试数据截图:                                                                           

clip_image004

 

数据一(循环1000次,测试数:1000*5999470)

image

数据二(循环5000次,测试数:5000*5999470)--跑了一个晚上……

image

 

感谢@Justany_WhiteSnow的专业回答:(大家分析下,我数学比较差,稍后再说自己的理解)

GUID桶数量:(2 ^ 4) ^ 32 = 2 ^ 128

Int64桶数量: 2 ^ 64

倘若每个桶的机会是均等的,则每个桶的GUID数量为:

(2 ^ 128) / (2 ^ 64) = 2 ^ 64 = 18446744073709551616

也就是说,其实重复的机会是有的,只是概率问题。

楼主测试数是29997350000发生重复的概率是:

1 - ((1 - (1 / (2 ^ 64))) ^ 29997350000) 1 - ((1 - 1 / 2 ^ 64)) ^ (2 ^ 32)) < 1 - 1 + 1 / (2 ^ 32) = 1 / (2 ^ 32) 2.3283064e-10

(唯一性、业务适合性是可以权衡的,这个唯一性肯定比不过GUID的,一般程序上都会安排错误处理机制,比如异常后执行一次重插的方案……)

(唯一性、业务适合性是可以权衡的,这个唯一性肯定比不过GUID的,一般程序上都会安排错误处理机制,比如异常后执行一次重插的方案……)

结论:GUID转为Int64值后,也具有高唯一性,可以使用与项目中。

 

Random生成高唯一性随机码

我使用了五种Random生成方案,要Random生成唯一主要因素就是种子参数要唯一。(这是比较久以前写的测试案例了,一直找不到合适的博文放,今天终于找到合适的地方了)

不过该测试是在单线程下的,多线程应使用不同的Random实例,所以对结果影响不会太大。

1.         使用Environment.TickCount做为Random参数(即Random的默认参数),重复性最大。

2.         使用DateTime.Now.Ticks做为Random参数,存在重复。

3.         使用unchecked((int)DateTime.Now.Ticks)做为Random参数,存在重复。

4.         使用Guid.NewGuid().GetHashCode()做为random参数,测试不存在重复(或存在性极小)。

5.         使用RNGCryptoServiceProvider做为random参数,测试不存在重复(或存在性极小)。

即:

        static int GetRandomSeed()

        {

            byte[] bytes = new byte[4];

            System.Security.Cryptography.RNGCryptoServiceProvider rng

= new System.Security.Cryptography.RNGCryptoServiceProvider();

            rng.GetBytes(bytes);

            return BitConverter.ToInt32(bytes, 0);

        }

测试结果:

clip_image007

结论:随机码使用RNGCryptoServiceProviderGuid.NewGuid().GetHashCode()生成的唯一性较高。

 

 

一些精彩评论(部分更新到原博文对应的地方)

一、

数据库文件体积只是一个参考值,可水平扩展系统性能(如nosql,缓存系统)并不和文件体积有高指数的线性相关。

taobao/qq的系统比拼byte系统慢,关键在于索引的命中率,缓存,系统的水平扩展。

如果数据库很少,你搞这么多byte能提高性能?

如果数据库很大,你搞这么多byte不兼容索引不兼容缓存,不是害自已吗?

如果数据库要求伸缩性,你搞这么多byte,需要不断改程序,不是自找苦吗?

如果数据库要求移植性,你搞这么多byte,移植起来不如重新设计,这是不是很多公司不断加班的原因?

 

不依赖于数据存储系统是分层设计思想的精华,实现战略性能最大化,而不是追求战术单机性能最大化。

 

不要迷信数据库性能,不要迷信三范式,不要使用外键,不要使用byte,不要使用自增id,不要使用存储过程,不要使用内部函数,不要使用非标准sql,存储系统只做存储系统的事。当出现系统性能时,如此设计的数据库可以更好的实现迁移数据库(如mysql->oracle),实现nosql改造((mongodb/hadoop),实现key-value缓存(redis,memcache)

 

二、

很多程序员有对性能认识有误区,如使用存储过程代替正常程序,其实使用存储过程只是追求单服务器的高性能,当需要服务器水平扩展时,存储过程中的业务逻辑就是你的噩运。

 

三、

除数字日期,能用字符串存储的字段尽量使用字符串存储,不要为节省那不值钱的1g的硬盘而使用类似字节之类的字段,进而大幅牺牲系统可伸缩性和可扩展性。

不要为了追求所谓的性能,引入byte,使用byte注定是短命和难于移植,想想为什么html,email一直流行,因为它们使用的是字符串表示法,只要有人类永远都能解析,如email把二进制转成base64存储。除了实时系统,视频外,建议使用字符串来存储数据,系统性能的关键在于分布式,在于水平扩展。

 

 

本次博文到此结束,希望大家对本次主题“如何在高并发分布式系统中生成全局唯一Id”多提出自己宝贵的意见。另外看着感觉舒服,还请多帮推荐…推荐……

 

 

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           C#生成唯一值的方法汇总

 

 

posted on 2013-08-16 08:15 滴答的雨 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏