6.1 分布式 id 生成器

有时我们需要能够生成类似MySQL自增ID这样不断增大，同时又不会重复的id。以支持业务中的高并发场景。比较典型的，电商促销时，短时间内会有大量的订单涌入到系统，比如每秒10w+。明星出轨时，会有大量热情的粉丝发微博以表心意，同样会在短时间内产生大量的消息。
在插入数据库之前，我们需要给这些消息、订单先打上一个ID，然后再插入到我们的数据库。对这个id的要求是希望其中能带有一些时间信息，这样即使我们后端的系统对消息进行了分库分表，也能够以时间顺序对这些消息进行排序。
Twitter的snowflake算法是这种场景下的一个典型解法。先来看看snowflake是怎么一回事，见图 6-1：
snowflake
图 6-1 snowflake中的比特位分布
首先确定我们的数值是64位，int64类型，被划分为四部分，不含开头的第一个bit，因为这个bit是符号位。用41位来表示收到请求时的时间戳，单位为毫秒，然后五位来表示数据中心的id，然后再五位来表示机器的实例id，最后是12位的循环自增id（到达1111,1111,1111后会归0）。
这样的机制可以支持我们在同一台机器上，同一毫秒内产生2 ^ 12 = 4096条消息。一秒共409.6万条消息。从值域上来讲完全够用了。
数据中心加上实例id共有10位，可以支持我们每数据中心部署32台机器，所有数据中心共1024台实例。
表示timestamp的41位，可以支持我们使用69年。当然，我们的时间毫秒计数不会真的从1970年开始记，那样我们的系统跑到2039/9/7 23:47:35就不能用了，所以这里的timestamp只是相对于某个时间的增量，比如我们的系统上线是2018-08-01，那么我们可以把这个timestamp当作是从2018-08-01 00:00:00.000的偏移量。
6.1.1 worker_id分配
timestamp，datacenter_id，worker_id和sequence_id这四个字段中，timestamp和sequence_id是由程序在运行期生成的。但datacenter_id和worker_id需要我们在部署阶段就能够获取得到，并且一旦程序启动之后，就是不可更改的了（想想，如果可以随意更改，可能被不慎修改，造成最终生成的id有冲突）。
一般不同数据中心的机器，会提供对应的获取数据中心id的API，所以datacenter_id我们可以在部署阶段轻松地获取到。而worker_id是我们逻辑上给机器分配的一个id，这个要怎么办呢？比较简单的想法是由能够提供这种自增id功能的工具来支持，比如MySQL:
mysql> insert into a (ip) values("10.1.2.101");
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)
​
mysql> select last_insert_id();
+------------------+
| last_insert_id() |
+------------------+
|                2 |
+------------------+
1 row in set (0.00 sec)
从MySQL中获取到worker_id之后，就把这个worker_id直接持久化到本地，以避免每次上线时都需要获取新的worker_id。让单实例的worker_id可以始终保持不变。
当然，使用MySQL相当于给我们简单的id生成服务增加了一个外部依赖。依赖越多，我们的服务的可运维性就越差。
考虑到集群中即使有单个id生成服务的实例挂了，也就是损失一段时间的一部分id，所以我们也可以更简单暴力一些，把worker_id直接写在worker的配置中，上线时，由部署脚本完成worker_id字段替换。
6.1.2 开源实例
6.1.2.1 标准snowflake实现
github.com/bwmarrin/snowflake 是一个相当轻量化的snowflake的Go实现。其文档对各位使用的定义见图 6-2所示。
ch6-snowflake-easy
图 6-2 snowflake库
和标准的snowflake完全一致。使用上比较简单：
package main
​
import (
    "fmt"
    "os"
​
    "github.com/bwmarrin/snowflake"
)
​
func main() {
    n, err := snowflake.NewNode(1)
    if err != nil {
        println(err)
        os.Exit(1)
    }
​
    for i := 0; i < 3; i++ {
        id := n.Generate()
        fmt.Println("id", id)
        fmt.Println(
            "node: ", id.Node(),
            "step: ", id.Step(),
            "time: ", id.Time(),
            "\n",
        )
    }
}
当然，这个库也给我们留好了定制的后路，其中预留了一些可定制字段：
    // Epoch is set to the twitter snowflake epoch of Nov 04 2010 01:42:54 UTC
    // You may customize this to set a different epoch for your application.
    Epoch int64 = 1288834974657
​
    // Number of bits to use for Node
    // Remember, you have a total 22 bits to share between Node/Step
    NodeBits uint8 = 10
​
    // Number of bits to use for Step
    // Remember, you have a total 22 bits to share between Node/Step
    StepBits uint8 = 12
Epoch就是本节开头讲的起始时间，NodeBits指的是机器编号的位长，StepBits指的是自增序列的位长。
6.1.2.2 sonyflake
sonyflake是Sony公司的一个开源项目，基本思路和snowflake差不多，不过位分配上稍有不同，见图 6-3：
sonyflake
图 6-3 sonyflake
这里的时间只用了39个bit，但时间的单位变成了10ms，所以理论上比41位表示的时间还要久(174年)。
Sequence ID和之前的定义一致，Machine ID其实就是节点id。sonyflake与众不同的地方在于其在启动阶段的配置参数：
func NewSonyflake(st Settings) *Sonyflake
Settings数据结构如下：
type Settings struct {
    StartTime      time.Time
    MachineID      func() (uint16, error)
    CheckMachineID func(uint16) bool
}
StartTime选项和我们之前的Epoch差不多，如果不设置的话，默认是从2014-09-01 00:00:00 +0000 UTC开始。
MachineID可以由用户自定义的函数，如果用户不定义的话，会默认将本机IP的低16位作为machine id。
CheckMachineID是由用户提供的检查MachineID是否冲突的函数。这里的设计还是比较巧妙的，如果有另外的中心化存储并支持检查重复的存储，那我们就可以按照自己的想法随意定制这个检查MachineID是否冲突的逻辑。如果公司有现成的Redis集群，那么我们可以很轻松地用Redis的集合类型来检查冲突。
redis 127.0.0.1:6379> SADD base64_encoding_of_last16bits MzI0Mgo=
(integer) 1
redis 127.0.0.1:6379> SADD base64_encoding_of_last16bits MzI0Mgo=
(integer) 0
使用起来也比较简单，有一些逻辑简单的函数就略去实现了：
package main
​
import (
    "fmt"
    "os"
    "time"
​
    "github.com/sony/sonyflake"
)
​
func getMachineID() (uint16, error) {
    var machineID uint16
    var err error
    machineID = readMachineIDFromLocalFile()
    if machineID == 0 {
        machineID, err = generateMachineID()
        if err != nil {
            return 0, err
        }
    }
​
    return machineID, nil
}
​
func checkMachineID(machineID uint16) bool {
    saddResult, err := saddMachineIDToRedisSet()
    if err != nil || saddResult == 0 {
        return true
    }
​
    err := saveMachineIDToLocalFile(machineID)
    if err != nil {
        return true
    }
​
    return false
}
​
func main() {
    t, _ := time.Parse("2006-01-02", "2018-01-01")
    settings := sonyflake.Settings{
        StartTime:      t,
        MachineID:      getMachineID,
        CheckMachineID: checkMachineID,
    }
​
    sf := sonyflake.NewSonyflake(settings)
    id, err := sf.NextID()
    if err != nil {
        fmt.Println(err)
        os.Exit(1)
    }
​
    fmt.Println(id)
}
第6章分布式系统
6.2 分布式锁
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