CosId 通用、靈活、高性能的分布式 ID 生成器

介紹

CosId 旨在提供通用、靈活、高性能的分布式 ID 生成器，目前提供了三類 ID 生成器：

SnowflakeId : 單機 TPS 性能：409W/s JMH 基準測驗 , 主要解決 時鐘回撥問題 、機器號分配問題 并且提供更加友好、靈活的使用體驗，
SegmentId : RedisIdSegmentDistributor 單機 TPS 性能(步長 1000) ：2950W+/s JMH 基準測驗 , 每次獲取一段(Step) ID，來降低號段分發器的網路IO請求頻次提升性能，
SegmentChainId : SegmentChainId (lock-free) 是對 SegmentId 的增強，設計圖如下，PrefetchWorker 維護安全距離(safeDistance), 使得 SegmentChainId 達到近似 AtomicLong 的 TPS 性能(步長 1000): 10272W+/s JMH 基準測驗，

SegmentClainId

更新內容（1.1.8） ?? ?? ??

優化：新增抽象 IdSegment interface，
增強：優化DefaultSegmentId防御性校驗后端發號器持久層號段丟失、回滾，
增強：增強IdSegmentDistributor支持批量獲取號段，降低網路ID請求頻次，進一步提升性能，
優化：優化SegmentChainId (lock-free)性能，合理配置的情況下可達到AtomicLong性能級別（10272W+/s JMH JMH 基準測驗），
新增：添加 IdSegmentDistributor.Mock，模擬發號器網路IO請求，方便測驗，
增強：支持通過 spring-boot 配置開啟SegmentChainId 模式（spring-boot-starter-cosid），
新增：添加LifecycleSegmentChainId優雅關閉 PrefetchWorker ，

SnowflakeId

SnowflakeId 使用 Long （64 bits）位磁區來生成 ID 的一種分布式 ID 演算法，
通用的位分配方案為：timestamp (41 bits) + machineId (10 bits) + sequence (12 bits) = 63 bits ，

41 位 timestamp = (1L<<41)/(1000/3600/365) 約可以存盤 69 年的時間戳，即可以使用的絕對時間為 EPOCH + 69 年，一般我們需要自定義 EPOCH 為產品開發時間，另外還可以通過壓縮其他區域的分配位數，來增加時間戳位數來延長可用時間，
10 位 machineId = (1L<<10) = 1024 即相同業務可以部署 1024 個副本 (在 Kubernetes 概念里沒有主從副本之分，這里直接沿用 Kubernetes 的定義) 實體，一般情況下沒有必要使用這么多位，所以會根據部署規模需要重新定義，
12 位 sequence = (1L<<12) * 1000 = 4096000 即單機每秒可生成約 409W 的 ID，全域同業務集群可產生 4096000*1024=419430W=41.9億(TPS)，

從 SnowflakeId 設計上可以看出:

?? timestamp 在高位，所以 SnowflakeId 是本機單調遞增的，受全域時鐘同步影響 SnowflakeId 是全域趨勢遞增的，
?? SnowflakeId 不對任何第三方中間件有強依賴關系，并且性能也非常高，
?? 位分配方案可以按照業務系統需要靈活配置，來達到最優使用效果，
?? 強依賴本機時鐘，潛在的時鐘回撥問題會導致 ID 重復，
?? machineId 需要手動設定，實際部署時如果采用手動分配 machineId，會非常低效，

CosId-SnowflakeId 主要解決 SnowflakeId 倆大問題：機器號分配問題、時鐘回撥問題，并且提供更加友好、靈活的使用體驗，

MachineIdDistributor (MachineId 分配器)

目前 CosId 提供了以下三種 MachineId 分配器，

ManualMachineIdDistributor

cosid:
  snowflake:
    machine:
      distributor:
        type: manual
        manual:
          machine-id: 0

手動分配 MachineId，

StatefulSetMachineIdDistributor

cosid:
  snowflake:
    machine:
      distributor:
        type: stateful_set

使用 Kubernetes 的 StatefulSet 提供的穩定的標識 ID 作為機器號，

RedisMachineIdDistributor

cosid:
  snowflake:
    machine:
      distributor:
        type: redis

使用 Redis 作為機器號的分發存盤，

ClockBackwardsSynchronizer (時鐘回撥同步器)

cosid:
  snowflake:
    clock-backwards:
      spin-threshold: 10
      broken-threshold: 2000

默認提供的 DefaultClockBackwardsSynchronizer 時鐘回撥同步器使用主動等待同步策略，spinThreshold(默認值 10 毫秒) 用于設定自旋等待閾值，當大于spinThreshold時使用執行緒休眠等待時鐘同步，如果超過brokenThreshold(默認值 2 秒)時會直接拋出ClockTooManyBackwardsException例外，

MachineStateStorage (機器狀態存盤)

public class MachineState {
    public static final MachineState NOT_FOUND = of(-1, -1);
    private final int machineId;
    private final long lastTimeStamp;

    public MachineState(int machineId, long lastTimeStamp) {
        this.machineId = machineId;
        this.lastTimeStamp = lastTimeStamp;
    }

    public int getMachineId() {
        return machineId;
    }

    public long getLastTimeStamp() {
        return lastTimeStamp;
    }

    public static MachineState of(int machineId, long lastStamp) {
        return new MachineState(machineId, lastStamp);
    }
}

cosid:
  snowflake:
    machine:
      state-storage:
        local:
          state-location: ./cosid-machine-state/

默認提供的 LocalMachineStateStorage 本地機器狀態存盤，使用本地檔案存盤機器號、最近一次時間戳，用作 MachineState 快取，

ClockSyncSnowflakeId (主動時鐘同步 `SnowflakeId`)

cosid:
  snowflake:
    share:
      clock-sync: true

默認 SnowflakeId 當發生時鐘回撥時會直接拋出 ClockBackwardsException 例外，而使用 ClockSyncSnowflakeId 會使用 ClockBackwardsSynchronizer主動等待時鐘同步來重新生成 ID，提供更加友好的使用體驗，

SafeJavaScriptSnowflakeId (`JavaScript` 安全的 `SnowflakeId`)

SnowflakeId snowflakeId=SafeJavaScriptSnowflakeId.ofMillisecond(1);

JavaScript 的 Number.MAX_SAFE_INTEGER 只有 53 位，如果直接將 63 位的 SnowflakeId 回傳給前端，那么會值溢位的情況，通常我們可以將 SnowflakeId 轉換為 String 型別或者自定義 SnowflakeId 位分配來縮短 SnowflakeId 的位數使 ID 提供給前端時不溢位，

SnowflakeFriendlyId (可以將 `SnowflakeId` 決議成可讀性更好的 `SnowflakeIdState` )

cosid:
  snowflake:
    share:
      friendly: true

public class SnowflakeIdState {

    private final long id;

    private final int machineId;

    private final long sequence;

    private final LocalDateTime timestamp;
    /**
     * {@link #timestamp}-{@link #machineId}-{@link #sequence}
     */
    private final String friendlyId;
}

public interface SnowflakeFriendlyId extends SnowflakeId {

    SnowflakeIdState friendlyId(long id);

    SnowflakeIdState ofFriendlyId(String friendlyId);

    default SnowflakeIdState friendlyId() {
        long id = generate();
        return friendlyId(id);
    }
}

        SnowflakeFriendlyId snowflakeFriendlyId=new DefaultSnowflakeFriendlyId(snowflakeId);
        SnowflakeIdState idState=snowflakeFriendlyId.friendlyId();
        idState.getFriendlyId(); //20210623131730192-1-0

SegmentId (號段模式)

RedisIdSegmentDistributor (使用`Redis`作為號段分發后端存盤)

cosid:
  segment:
    enabled: true
    distributor:
      type: redis
    share:
      offset: 0
      step: 100
    provider:
      bizC:
        offset: 10000
        step: 100
      bizD:
        offset: 10000
        step: 100

RedisIdSegmentDistributor 步長設定為 1 時（每次生成ID都需要執行一次 Redis 網路 IO 請求）TPS 性能約為 21W/s (JMH 基準測驗 )，如果在部分場景下我們對 ID 生成的 TPS 性能有更高的要求，那么可以選擇使用增加每次ID分發步長來降低網路 IO 請求頻次，提高 IdGenerator 性能（比如增加步長為 1000，性能可提升到 3545W+/s JMH 基準測驗），

SegmentChainId (號段鏈模式)

SegmentClainId

cosid:
  segment:
    enabled: true
    mode: chain
    chain:
      safe-distance: 100
      prefetch-period: 4000ns
    distributor:
      type: redis
    share:
      offset: 0
      step: 100
    provider:
      bizC:
        offset: 10000
        step: 100
      bizD:
        offset: 10000
        step: 100

IdGeneratorProvider

cosid:
  snowflake:
    provider:
      bizA:
        #      epoch:
        #      timestamp-bit:
        sequence-bit: 12
      bizB:
        #      epoch:
        #      timestamp-bit:
        sequence-bit: 12

IdGenerator idGenerator=idGeneratorProvider.get("bizA");

在實際使用中我們一般不會所有業務服務使用同一個 IdGenerator ，而是不同的業務使用不同的 IdGenerator，那么 IdGeneratorProvider 就是為了解決這個問題而存在的，他是 IdGenerator 的容器，可以通過業務名來獲取相應的 IdGenerator，

Examples

CosId-Examples

安裝

Gradle

Kotlin DSL

    val cosidVersion = "1.1.8";
    implementation("me.ahoo.cosid:spring-boot-starter-cosid:${cosidVersion}")

Maven

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>

<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"
         xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">

    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <artifactId>demo</artifactId>
    <properties>
        <cosid.version>1.1.8</cosid.version>
    </properties>

    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>me.ahoo.cosid</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-cosid</artifactId>
            <version>${cosid.version}</version>
        </dependency>
    </dependencies>

</project>

application.yaml

cosid:
  namespace: ${spring.application.name}
  snowflake:
    enabled: true
    #    epoch: 1577203200000
    clock-backwards:
      spin-threshold: 10
      broken-threshold: 2000
    machine:
      #      stable: true
      #      machine-bit: 10
      #      instance-id: ${HOSTNAME}
      distributor:
        type: redis
      #        manual:
      #          machine-id: 0
      state-storage:
        local:
          state-location: ./cosid-machine-state/
    share:
      clock-sync: true
      friendly: true
    provider:
      bizA:
        #        timestamp-bit:
        sequence-bit: 12
      bizB:
        #        timestamp-bit:
        sequence-bit: 12
  segment:
    enabled: true
    mode: chain
    chain:
      safe-distance: 100
      prefetch-period: 4000ns
    distributor:
      type: redis
    share:
      offset: 0
      step: 100
    provider:
      bizC:
        offset: 10000
        step: 100
      bizD:
        offset: 10000
        step: 100

JMH-Benchmark

基準測驗運行環境：筆記本開發機 ( MacBook Pro (M1) )
所有基準測驗都在開發筆記本上執行，
Redis 部署環境也在該筆記本開發機上，

SnowflakeId

gradle cosid-core:jmh
# or
java -jar cosid-core/build/libs/cosid-core-1.1.8-jmh.jar -bm thrpt -wi 1 -rf json -f 1

Benchmark                                                    Mode  Cnt        Score   Error  Units
SnowflakeIdBenchmark.millisecondSnowflakeId_friendlyId      thrpt       4020311.665          ops/s
SnowflakeIdBenchmark.millisecondSnowflakeId_generate        thrpt       4095403.859          ops/s
SnowflakeIdBenchmark.safeJsMillisecondSnowflakeId_generate  thrpt        511654.048          ops/s
SnowflakeIdBenchmark.safeJsSecondSnowflakeId_generate       thrpt        539818.563          ops/s
SnowflakeIdBenchmark.secondSnowflakeId_generate             thrpt       4206843.941          ops/s

RedisIdBenchmark

gradle cosid-redis:jmh
# or
java -jar cosid-redis/build/libs/cosid-redis-1.1.8-jmh.jar -bm thrpt -wi 1 -rf json -f 1 RedisIdBenchmark

Benchmark                    Mode  Cnt         Score         Error  Units
RedisIdBenchmark.step_1     thrpt    5    207470.850 ±   11832.936  ops/s
RedisIdBenchmark.step_100   thrpt    5   3868126.197 ±  258008.896  ops/s
RedisIdBenchmark.step_1000  thrpt    5  29506073.112 ± 2502253.182  ops/s

RedisChainIdBenchmark

gradle cosid-redis:jmh
# or
java -jar cosid-redis/build/libs/cosid-redis-1.1.8-jmh.jar -bm thrpt -wi 1 -rf json -f 1 RedisChainIdBenchmark

Benchmark                                   Mode  Cnt          Score         Error  Units
RedisChainIdBenchmark.atomicLong_baseline  thrpt    5  143740421.831 ± 1142477.957  ops/s
RedisChainIdBenchmark.step_1               thrpt    5     301874.926 ±   10340.941  ops/s
RedisChainIdBenchmark.step_100             thrpt    5   25746336.165 ±  433565.840  ops/s
RedisChainIdBenchmark.step_1000            thrpt    5  102722840.616 ± 2368562.637  ops/s

RedisIdBenchmark VS RedisChainIdBenchmark TPS (ops/s)

Segemnt_Step1000_VS_throughput

RedisIdBenchmark VS RedisChainIdBenchmark Sample (us/op)

Segemnt_Step1000_VS_sample

java -jar cosid-redis/build/libs/cosid-redis-1.1.8-jmh.jar -bm sample -wi 1 -rf json -f 1 -tu us step_1000

Benchmark                                            Mode      Cnt    Score   Error  Units
RedisChainIdBenchmark.step_1000                    sample  1062954    0.056 ± 0.002  us/op
RedisChainIdBenchmark.step_1000:step_1000·p0.00    sample               ≈ 0          us/op
RedisChainIdBenchmark.step_1000:step_1000·p0.50    sample             0.042          us/op
RedisChainIdBenchmark.step_1000:step_1000·p0.90    sample             0.083          us/op
RedisChainIdBenchmark.step_1000:step_1000·p0.95    sample             0.084          us/op
RedisChainIdBenchmark.step_1000:step_1000·p0.99    sample             0.125          us/op
RedisChainIdBenchmark.step_1000:step_1000·p0.999   sample             3.000          us/op
RedisChainIdBenchmark.step_1000:step_1000·p0.9999  sample             8.818          us/op
RedisChainIdBenchmark.step_1000:step_1000·p1.00    sample           290.304          us/op
RedisIdBenchmark.step_1000                         sample  1374946    0.064 ± 0.003  us/op
RedisIdBenchmark.step_1000:step_1000·p0.00         sample               ≈ 0          us/op
RedisIdBenchmark.step_1000:step_1000·p0.50         sample             0.042          us/op
RedisIdBenchmark.step_1000:step_1000·p0.90         sample             0.042          us/op
RedisIdBenchmark.step_1000:step_1000·p0.95         sample             0.042          us/op
RedisIdBenchmark.step_1000:step_1000·p0.99         sample             0.083          us/op
RedisIdBenchmark.step_1000:step_1000·p0.999        sample             0.291          us/op
RedisIdBenchmark.step_1000:step_1000·p0.9999       sample            46.624          us/op
RedisIdBenchmark.step_1000:step_1000·p1.00         sample           483.840          us/op

轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/ruanti/289018.html

標籤：架構設計

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CosId 通用、靈活、高性能的分布式 ID 生成器

介紹

更新內容（1.1.8） ?? ?? ??

SnowflakeId

MachineIdDistributor (MachineId 分配器)

ManualMachineIdDistributor

StatefulSetMachineIdDistributor

RedisMachineIdDistributor

ClockBackwardsSynchronizer (時鐘回撥同步器)

MachineStateStorage (機器狀態存盤)

ClockSyncSnowflakeId (主動時鐘同步 SnowflakeId)

SafeJavaScriptSnowflakeId (JavaScript 安全的 SnowflakeId)

SnowflakeFriendlyId (可以將 SnowflakeId 決議成可讀性更好的 SnowflakeIdState )

SegmentId (號段模式)

RedisIdSegmentDistributor (使用Redis作為號段分發后端存盤)

SegmentChainId (號段鏈模式)

IdGeneratorProvider

Examples

安裝

Gradle

Maven

application.yaml

JMH-Benchmark

SnowflakeId

RedisIdBenchmark

RedisChainIdBenchmark

RedisIdBenchmark VS RedisChainIdBenchmark TPS (ops/s)

RedisIdBenchmark VS RedisChainIdBenchmark Sample (us/op)

ClockSyncSnowflakeId (主動時鐘同步 `SnowflakeId`)

SafeJavaScriptSnowflakeId (`JavaScript` 安全的 `SnowflakeId`)

SnowflakeFriendlyId (可以將 `SnowflakeId` 決議成可讀性更好的 `SnowflakeIdState` )

RedisIdSegmentDistributor (使用`Redis`作為號段分發后端存盤)