Sharding-JDBC 实战 - 分布式唯一主键

一、 Sharding-JDBC主键

软件项目开发中,主键自动生成是基本需求。而各个数据库对于该需求也提供了相应的支持,比如:数据库自增( MySQL, Oracle等)。但在分布式环境中，分库分表之后，不同表生成全局唯一的Id是非常棘手的问题。因为同一个逻辑表内的不同实际表之间的自增键是无法互相感知的，这样会造成重复Id的生成。我们当然可以通过约束表生成键的规则（设置不同的起始和步长）来达到数据的不重复，但是这需要引入额外的运维力量来解决重复性问题，如果数据库节点变更会使框架缺乏扩展性。

目前有许多第三方解决方案可以完美解决这个问题,如:

UUID/GUID(一般应用程序和数据库均支持)

Redis| increment

Mongo DB ObjectID(类似UUID的方式）

Zookeeper分布式锁

Twitter的 Snowflake(又名“雪花算法”)

Ticket server(数据库生存方式, Flick采用的就是这种方式)

而ShardingSphere不仅提供了内置的分布式主键生成器,例如UUID、 Snowflake。还抽离出分布式主键生成器的接口(io.shardingsphere.core.keygen.KeyGenerator),方便用户自行实现自定义的自增主键生成器。

二、Twitter的分布式自增ID算法Snowflake

雪花算法概述

有这么一种说法，自然界中并不存在两片完全一样的雪花的。每一片雪花都拥有自己漂亮独特的形状、独一无二。雪花算法也表示生成的ID如雪花般独一无二

snowflake算法是一款本地生成的（ID生成过程不依赖任何中间件，无网络通信），保证ID全局唯一，并且ID总体有序递增，

组成结构

大致由：首位无效符、时间戳差值，机器(进程)编码，序列号四部分组成，雪花算法生成的ID是纯数字且具有时间顺序的。

**1 bit：**不用，因为二进制里第一个 bit 为如果是 1，那么都是负数，但是我们生成的 id 都是正数，所以第一个 bit 统一都是 0
**时间位：**可以根据时间进行排序，有助于提高查询速度。41 bit 可以表示的数字多达 2^41 - 1，也就是可以标识 2 ^ 41 - 1 个毫秒值，换算成年就是表示 69 年的时间。
**机器id位：**适用于分布式环境下对多节点的各个节点进行标识，可以具体根据节点数和部署情况设计划分机器位10位长度，如划分5位表示进程位等，这个服务最多可以部署在 2^10 台机器上，也就是 1024 台机器。
**序列号位：**是一系列的自增id，可以支持同一节点同一毫秒生成多个ID序号，12位的计数序列号支持每个节点每毫秒产生4096个ID序号

优点

1、时间自增排序；
2、适合分布式场景，整个分布式系统内不会产生ID碰撞（由datacenter和机器ID作区分）效率较高，一个节点每毫秒4096个ID序号，服务最大每毫秒409.6万个序列号；

缺点：

1、雪花算法在单机系统上ID是递增的，但是在分布式系统多节点的情况下不是绝对递增，所有节点的时钟（System.currentTimeMillis()）并不能保证不完全同步，所以有可能会出现不是全局递增的情况；
2、不能在一台服务器上部署多个分布式ID服务；
3、时钟回拨问题；

三、Sharding JDBC 使用Snowflake生成唯一主键ID

ShardingSphere 在分片规则配置模块可配置每个表的主键生成策略，默认使用为雪花算法（io.shardingsphere.core.keygen.DefaultKeyGenerator）

配置文件制定

主键生成 sharding jdbc 默认主键算法是 64位雪花算法
sharding.jdbc.config.sharding.tables.t_order.key-generator-class-name=io.shardingsphere.core.keygen.DefaultKeyGenerator
sharding.jdbc.config.sharding.tables.t_order.key-generator-column-name=id

使用DefaultKeyGenerator 类获取

DefaultKeyGenerator generator = new DefaultKeyGenerator();

generator.generateKey()；

对Snowflake时钟回拨问题处理

private boolean waitTolerateTimeDifferenceIfNeed(long currentMilliseconds) throws Throwable {
    try {
        //lastMilliseconds 最后一次生成序列时间 
        if (this.lastMilliseconds <= currentMilliseconds) {
           //如果lastMilliseconds 
            return false;
        } else {
            long timeDifferenceMilliseconds = this.lastMilliseconds - currentMilliseconds;
            Preconditions.checkState(timeDifferenceMilliseconds < (long) maxTolerateTimeDifferenceMilliseconds,
                    "Clock is moving backwards, last time is %d milliseconds, current time is %d milliseconds",
                    new Object[]{this.lastMilliseconds, currentMilliseconds});
            Thread.sleep(timeDifferenceMilliseconds);
            return true;
        }
    } catch (Throwable var5) {
        throw var5;
    }
}

服务器时钟回拨会导致产生重复序列,因此默认分布式主键生成器提供了一个最大容忍的时钟回拨毫秒数。如果时钟回拨的时间超过最大容忍的毫秒数值,则程序报错;如果在可容忍的范围内,默认分布式主键生成器会等待（Thread.sleep）时钟同步到最后一次主键生成的时间后再继续工作。最大咨忍的时钟回拨室秒数的默认值为0,可通过调用静态方法 Defaultkey Generator setMaxTolerate Time DifferenceMilliseconds设置

生成主键实现理解

public synchronized Number generateKey() {
    long currentMilliseconds = timeService.getCurrentMillis();
    if (this.waitTolerateTimeDifferenceIfNeed(currentMilliseconds)) {
        currentMilliseconds = timeService.getCurrentMillis();
    }

    if (this.lastMilliseconds == currentMilliseconds) {
        if (0L == (this.sequence = this.sequence + 1L & 4095L)) {
            currentMilliseconds = this.waitUntilNextTime(currentMilliseconds);
        }
    } else {
        this.vibrateSequenceOffset();
        this.sequence = (long)this.sequenceOffset;
    }

    this.lastMilliseconds = currentMilliseconds;
    return currentMilliseconds - EPOCH << 22 | workerId << 12 | this.sequence;
}

核心代码如下，几个实现的关键点：

synchronized保证线程安全；
如果出现时间回拨，判断时钟回拨的时间是否超过最大容忍的毫秒数值，如果超过抛出异常；
如果当前时间和上一次是同一秒时间，那么sequence自增。如果同一秒内sequence自增值超过2^13-1，那么就会自旋等待下一秒（getNextSecond）；
如果是新的一秒，那么sequence重新从0开始；

08、Sharding-JDBC 实战 - 分布式唯一主键