分库分表的 9种分布式主键ID 生成方案，挺全乎的
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2020-11-11 10:02
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《sharding-jdbc 分库分表的 4种分片策略》 中我们介绍了 sharding-jdbc 4种分片策略的使用场景，可以满足基础的分片功能开发，这篇我们来看看分库分表后，应该如何为分片表生成全局唯一的主键 ID。
引入任何一种技术都是存在风险的，分库分表当然也不例外，除非库、表数据量持续增加，大到一定程度，以至于现有高可用架构已无法支撑，否则不建议大家做分库分表，因为做了数据分片后，你会发现自己踏上了一段踩坑之路，而分布式主键 ID 就是遇到的第一个坑。
不同数据节点间生成全局唯一主键是个棘手的问题，一张逻辑表 t_order 拆分成多个真实表 t_order_n，然后被分散到不同分片库 db_0、db_1... ，各真实表的自增键由于无法互相感知从而会产生重复主键，此时数据库本身的自增主键，就无法满足分库分表对主键全局唯一的要求。
db_0--
|-- t_order_0
|-- t_order_1
|-- t_order_2
db_1--
|-- t_order_0
|-- t_order_1
|-- t_order_2
尽管我们可以通过严格约束，各个分片表自增主键的 初始值 和 步长 的方式来解决 ID 重复的问题，但这样会让运维成本陡增，而且可扩展性极差，一旦要扩容分片表数量，原表数据变动比较大，所以这种方式不太可取。
步长 step = 分表张数
db_0--
|-- t_order_0 ID: 0、6、12、18...
|-- t_order_1 ID: 1、7、13、19...
|-- t_order_2 ID: 2、8、14、20...
db_1--
|-- t_order_0 ID: 3、9、15、21...
|-- t_order_1 ID: 4、10、16、22...
|-- t_order_2 ID: 5、11、17、23...
目前已经有了许多第三放解决方案可以完美解决这个问题，比如基于 UUID、SNOWFLAKE算法 、segment号段，使用特定算法生成不重复键，或者直接引用主键生成服务，像美团（Leaf）和 滴滴（TinyId）等。
而sharding-jdbc 内置了两种分布式主键生成方案，UUID、SNOWFLAKE，不仅如此它还抽离出分布式主键生成器的接口，以便于开发者实现自定义的主键生成器，后续我们会在自定义的生成器中接入 滴滴（TinyId）的主键生成服务。
前边介绍过在 sharding-jdbc 中要想为某个字段自动生成主键 ID，只需要在 application.properties 文件中做如下配置:
# 主键字段
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.column=order_id
# 主键ID 生成方案
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.type=UUID
# 工作机器 id
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.props.worker.id=123
key-generator.column 表示主键字段，key-generator.type 为主键 ID 生成方案（内置或自定义的），key-generator.props.worker.id 为机器ID，在主键生成方案设为 SNOWFLAKE 时机器ID 会参与位运算。
在使用 sharding-jdbc 分布式主键时需要注意两点：
一旦 insert插入操作的实体对象中主键字段已经赋值，那么即使配置了主键生成方案也会失效，最后SQL 执行的数据会以赋的值为准。不要给主键字段设置自增属性，否则主键ID 会以默认的 SNOWFLAKE方式生成。比如：用mybatis plus的@TableId注解给字段order_id设置了自增主键，那么此时配置哪种方案，总是按雪花算法生成。
下面我们从源码上分析下 sharding-jdbc 内置主键生成方案 UUID、SNOWFLAKE 是怎么实现的。
UUID
打开 UUID 类型的主键生成实现类 UUIDShardingKeyGenerator 的源码发现，它的生成规则只有 UUID.randomUUID() 这么一行代码，额~ 心中默默来了一句卧槽。
UUID 虽然可以做到全局唯一性，但还是不推荐使用它作为主键，因为我们的实际业务中不管是 user_id 还是 order_id 主键多为整型，而 UUID 生成的是个 32 位的字符串。
它的存储以及查询对 MySQL 的性能消耗较大，而且 MySQL 官方也明确建议，主键要尽量越短越好，作为数据库主键 UUID 的无序性还会导致数据位置频繁变动，严重影响性能。
public final class UUIDShardingKeyGenerator implements ShardingKeyGenerator {
private Properties properties = new Properties();
public UUIDShardingKeyGenerator() {
}
public String getType() {
return "UUID";
}
public synchronized Comparable generateKey() {
return UUID.randomUUID().toString().replaceAll("-", "");
}
public Properties getProperties() {
return this.properties;
}
public void setProperties(Properties properties) {
this.properties = properties;
}
}
SNOWFLAKE
SNOWFLAKE（雪花算法）是默认使用的主键生成方案，生成一个 64bit的长整型（Long）数据。
sharding-jdbc 中雪花算法生成的主键主要由 4部分组成，1bit符号位、41bit时间戳位、10bit工作进程位以及 12bit 序列号位。
符号位（1bit位）
Java 中 Long 型的最高位是符号位，正数是0，负数是1，一般生成ID都为正数，所以默认为0
时间戳位（41bit）
41位的时间戳可以容纳的毫秒数是 2 的 41次幂，而一年的总毫秒数为 1000L * 60 * 60 * 24 * 365，计算使用时间大概是69年，额~，我有生之间算是够用了。
Math.pow(2, 41) / (365 * 24 * 60 * 60 * 1000L) = = 69年
工作进程位（10bit）
表示一个唯一的工作进程id，默认值为 0，可通过 key-generator.props.worker.id 属性设置。
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.props.worker.id=0000
序列号位（12bit）
同一毫秒内生成不同的ID。
时钟回拨
了解了雪花算法的主键 ID 组成后不难发现，这是一种严重依赖于服务器时间的算法，而依赖服务器时间的就会遇到一个棘手的问题：时钟回拨。
为什么会出现时钟回拨呢？
互联网中有一种网络时间协议 ntp 全称 (Network Time Protocol) ，专门用来同步、校准网络中各个计算机的时间。
这就是为什么，我们的手机现在不用手动校对时间，可每个人的手机时间还都是一样的。
我们的硬件时钟可能会因为各种原因变得不准（ 快了 或 慢了 ），此时就需要 ntp 服务来做时间校准，做校准的时候就会发生服务器时钟的 跳跃 或者 回拨 的问题。
雪花算法如何解决时钟回拨
服务器时钟回拨会导致产生重复的 ID，SNOWFLAKE 方案中对原有雪花算法做了改进，增加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阈值，则程序直接报错；如果在可容忍的范围内，默认分布式主键生成器，会等待时钟同步到最后一次主键生成的时间后再继续工作。
最大容忍的时钟回拨毫秒数，默认值为 0，可通过属性 max.tolerate.time.difference.milliseconds 设置。
# 最大容忍的时钟回拨毫秒数
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.max.tolerate.time.difference.milliseconds=5
下面是看下它的源码实现类 SnowflakeShardingKeyGenerator，核心流程大概如下：
最后一次生成主键的时间 lastMilliseconds 与 当前时间currentMilliseconds 做比较，如果 lastMilliseconds > currentMilliseconds则意味着时钟回调了。
那么接着判断两个时间的差值（timeDifferenceMilliseconds）是否在设置的最大容忍时间阈值 max.tolerate.time.difference.milliseconds内，在阈值内则线程休眠差值时间 Thread.sleep(timeDifferenceMilliseconds)，否则大于差值直接报异常。
/**
* @author xiaofu
*/
public final class SnowflakeShardingKeyGenerator implements ShardingKeyGenerator{
@Getter
@Setter
private Properties properties = new Properties();
public String getType() {
return "SNOWFLAKE";
}
public synchronized Comparable generateKey() {
/**
* 当前系统时间毫秒数
*/
long currentMilliseconds = timeService.getCurrentMillis();
/**
* 判断是否需要等待容忍时间差，如果需要，则等待时间差过去，然后再获取当前系统时间
*/
if (waitTolerateTimeDifferenceIfNeed(currentMilliseconds)) {
currentMilliseconds = timeService.getCurrentMillis();
}
/**
* 如果最后一次毫秒与 当前系统时间毫秒相同，即还在同一毫秒内
*/
if (lastMilliseconds == currentMilliseconds) {
/**
* &位与运算符：两个数都转为二进制，如果相对应位都是1，则结果为1，否则为0
* 当序列为4095时，4095+1后的新序列与掩码进行位与运算结果是0
* 当序列为其他值时，位与运算结果都不会是0
* 即本毫秒的序列已经用到最大值4096，此时要取下一个毫秒时间值
*/
if (0L == (sequence = (sequence + 1) & SEQUENCE_MASK)) {
currentMilliseconds = waitUntilNextTime(currentMilliseconds);
}
} else {
/**
* 上一毫秒已经过去，把序列值重置为1
*/
vibrateSequenceOffset();
sequence = sequenceOffset;
}
lastMilliseconds = currentMilliseconds;
/**
* XX......XX XX000000 00000000 00000000 时间差 XX
* XXXXXX XXXX0000 00000000 机器ID XX
* XXXX XXXXXXXX 序列号 XX
* 三部分进行|位或运算：如果相对应位都是0，则结果为0，否则为1
*/
return ((currentMilliseconds - EPOCH) << TIMESTAMP_LEFT_SHIFT_BITS) | (getWorkerId() << WORKER_ID_LEFT_SHIFT_BITS) | sequence;
}
/**
* 判断是否需要等待容忍时间差
*/
@SneakyThrows
private boolean waitTolerateTimeDifferenceIfNeed(final long currentMilliseconds) {
/**
* 如果获取ID时的最后一次时间毫秒数小于等于当前系统时间毫秒数，属于正常情况，则不需要等待
*/
if (lastMilliseconds <= currentMilliseconds) {
return false;
}
/**
* ===>时钟回拨的情况（生成序列的时间大于当前系统的时间），需要等待时间差
*/
/**
* 获取ID时的最后一次毫秒数减去当前系统时间毫秒数的时间差
*/
long timeDifferenceMilliseconds = lastMilliseconds - currentMilliseconds;
/**
* 时间差小于最大容忍时间差，即当前还在时钟回拨的时间差之内
*/
Preconditions.checkState(timeDifferenceMilliseconds < getMaxTolerateTimeDifferenceMilliseconds(),
"Clock is moving backwards, last time is %d milliseconds, current time is %d milliseconds", lastMilliseconds, currentMilliseconds);
/**
* 线程休眠时间差
*/
Thread.sleep(timeDifferenceMilliseconds);
return true;
}
// 配置的机器ID
private long getWorkerId() {
long result = Long.valueOf(properties.getProperty("worker.id", String.valueOf(WORKER_ID)));
Preconditions.checkArgument(result >= 0L && result < WORKER_ID_MAX_VALUE);
return result;
}
private int getMaxTolerateTimeDifferenceMilliseconds() {
return Integer.valueOf(properties.getProperty("max.tolerate.time.difference.milliseconds", String.valueOf(MAX_TOLERATE_TIME_DIFFERENCE_MILLISECONDS)));
}
private long waitUntilNextTime(final long lastTime) {
long result = timeService.getCurrentMillis();
while (result <= lastTime) {
result = timeService.getCurrentMillis();
}
return result;
}
}
但从 SNOWFLAKE 方案生成的主键ID 来看，order_id 它是一个18位的长整型数字，是不是发现它太长了，想要 MySQL 那种从 0 递增的自增主键该怎么实现呢？别急，后边已经会给出了解决办法！
自定义
sharding-jdbc 利用 SPI 全称（ Service Provider Interface） 机制拓展主键生成规则，这是一种服务发现机制，通过扫描项目路径 META-INF/services 下的文件，并自动加载文件里所定义的类。
实现自定义主键生成器其实比较简单，只有两步。
第一步，实现 ShardingKeyGenerator 接口，并重写其内部方法，其中 getType() 方法为自定义的主键生产方案类型、generateKey() 方法则是具体生成主键的规则。
下面代码中用 AtomicInteger 来模拟实现一个有序自增的 ID 生成。
/**
* @Author: xiaofu
* @Description: 自定义主键生成器
*/
@Component
public class MyShardingKeyGenerator implements ShardingKeyGenerator {
private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();
/**
* 自定义的生成方案类型
*/
@Override
public String getType() {
return "XXX";
}
/**
* 核心方法-生成主键ID
*/
@Override
public Comparable generateKey() {
return count.incrementAndGet();
}
@Override
public Properties getProperties() {
return null;
}
@Override
public void setProperties(Properties properties) {
}
}
第二步，由于是利用 SPI 机制实现功能拓展，我们要在 META-INF/services 文件中配置自定义的主键生成器类路劲。
com.xiaofu.sharding.key.MyShardingKeyGenerator
上面这些弄完我们测试一下，配置定义好的主键生成类型 XXX，并插入几条数据看看效果。
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.column=order_id
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.type=XXX
通过控制台的SQL 解析日志发现，order_id 字段已按照有序自增的方式插入记录，说明配置的没问题。
举一反九
既然可以自定义生成方案，那么实现分布式主键的思路就很多了，又想到之前我写的这篇 《9种 分布式ID生成方案》，发现可以完美兼容，这里挑选其中的 滴滴（Tinyid）来实践一下，由于它是个单独的分布式ID生成服务，所以要先搭建环境了。
Tinyid 的服务提供Http 和 Tinyid-client 两种接入方式，下边使用 Tinyid-client 方式快速使用，更多的细节到这篇文章里看吧，实在是介绍过太多次了。
Tinyid 服务搭建
先拉源代码 https://github.com/didi/tinyid.git。
由于是基于号段模式实现的分布式ID，所以依赖于数据库，要创建相应的表 tiny_id_info 、tiny_id_token 并插入默认数据。
CREATE TABLE `tiny_id_info` (
`id` BIGINT (20) UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '自增主键',
`biz_type` VARCHAR (63) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '业务类型，唯一',
`begin_id` BIGINT (20) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '开始id，仅记录初始值，无其他含义。初始化时begin_id和max_id应相同',
`max_id` BIGINT (20) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '当前最大id',
`step` INT (11) DEFAULT '0' COMMENT '步长',
`delta` INT (11) NOT NULL DEFAULT '1' COMMENT '每次id增量',
`remainder` INT (11) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '余数',
`create_time` TIMESTAMP NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '创建时间',
`update_time` TIMESTAMP NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '更新时间',
`version` BIGINT (20) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '版本号',
PRIMARY KEY (`id`),
UNIQUE KEY `uniq_biz_type` (`biz_type`)
) ENGINE = INNODB AUTO_INCREMENT = 1 DEFAULT CHARSET = utf8 COMMENT 'id信息表';
CREATE TABLE `tiny_id_token` (
`id` INT (11) UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '自增id',
`token` VARCHAR (255) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT 'token',
`biz_type` VARCHAR (63) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '此token可访问的业务类型标识',
`remark` VARCHAR (255) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '备注',
`create_time` TIMESTAMP NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '创建时间',
`update_time` TIMESTAMP NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '更新时间',
PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE = INNODB AUTO_INCREMENT = 1 DEFAULT CHARSET = utf8 COMMENT 'token信息表';
INSERT INTO `tiny_id_token` (`id`, `token`, `biz_type`, `remark`, `create_time`, `update_time`) VALUES ('1', '0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c', 'order', '1', '2017-12-14 16:36:46', '2017-12-14 16:36:48');
INSERT INTO `tiny_id_info` (`id`, `biz_type`, `begin_id`, `max_id`, `step`, `delta`, `remainder`, `create_time`, `update_time`, `version`) VALUES ('1', 'order', '1', '1', '100000', '1', '0', '2018-07-21 23:52:58', '2018-07-22 23:19:27', '1');
并在 Tinyid 服务中配置上边表所在数据源信息
datasource.tinyid.primary.url=jdbc:mysql://47.93.6.e:3306/ds-0?autoReconnect=true&useUnicode=true&characterEncoding=UTF-8
datasource.tinyid.primary.username=root
datasource.tinyid.primary.password=root
最后项目 maven install ，右键 TinyIdServerApplication 启动服务， Tinyid 分布式ID生成服务就搭建完毕了。
自定义 Tinyid 主键类型
Tinyid 服务搭建完下边在项目中引入它，新建个 tinyid_client.properties 文件其中添加 tinyid.server 和 tinyid.token 属性，token 为之前 SQL 预先插入的用户数据。
# tinyid 分布式ID
# 服务地址
tinyid.server=127.0.0.1:9999
# 业务token
tinyid.token=0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c
代码中获取 ID更简单，只需一行代码，业务类型 order 是之前 SQ L 预先插入的数据。
Long id = TinyId.nextId("order");
我们开始自定义 Tinyid 主键生成类型的实现类 TinyIdShardingKeyGenerator 。
/**
* @Author: xiaofu
* @Description: 自定义主键生成器
*/
@Component
public class TinyIdShardingKeyGenerator implements ShardingKeyGenerator {
/**
* 自定义的生成方案类型
*/
@Override
public String getType() {
return "tinyid";
}
/**
* 核心方法-生成主键ID
*/
@Override
public Comparable generateKey() {
Long id = TinyId.nextId("order");
return id;
}
@Override
public Properties getProperties() {
return null;
}
@Override
public void setProperties(Properties properties) {
}
}
并在配置文件中启用 Tinyid 主键生成类型，到此配置完毕，赶紧测试一下。
# 主键字段
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.column=order_id
# 主键ID 生成方案
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.type=tinyid
测试 Tinyid 主键
向数据库插入订单记录测试发现，主键ID字段 order_id 已经为趋势递增的了， Tinyid 服务成功接入，完美！
总结
后续的八种生成方式大家参考 《9种 分布式ID生成方案》 按需接入吧，整体比较简单这里就不依次实现了。
案例 GitHub 地址：https://github.com/chengxy-nds/Springboot-Notebook/tree/master/springboot-sharding-jdbc
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