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美团分布式ID生成框架Leaf源码分析及优化改进

由 风格不统一 提交于 2020-08-13 01:59:51

最近做了一个面试题解答的开源项目，大家可以看一看，如果对大家有帮助，希望大家帮忙给一个star，谢谢大家了！

《面试指北》项目地址：https://github.com/NotFound9/interviewGuide

image.png

本文主要是对美团的分布式ID框架Leaf的原理进行介绍，针对Leaf原项目中的一些issue，对Leaf项目进行功能增强，问题修复及优化改进，改进后的项目地址在这里：

Leaf项目改进计划 https://github.com/NotFound9/Leaf

Leaf原理分析

Snowflake生成ID的模式

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snowflake算法对于ID的位数是上图这样分配的：

1位的符号位+41位时间戳+10位workID+12位序列号

加起来一共是64个二进制位，正好与Java中的long类型的位数一样。

美团的Leaf框架对于snowflake算法进行了一些位数调整，位数分配是这样：

最大41位时间差+10位的workID+12位序列化

虽然看美团对Leaf的介绍文章里面说

Leaf-snowflake方案完全沿用snowflake方案的bit位设计，即是“1+41+10+12”的方式组装ID号。

其实看代码里面是没有专门设置符号位的，如果timestamp过大，导致时间差占用42个二进制位，时间差的第一位为1时，可能生成的id转换为十进制后会是负数：

//timestampLeftShift是22，workerIdShift是12
long id = ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) | (workerId << workerIdShift) | sequence;

时间差是什么？

因为时间戳是以1970年01月01日00时00分00秒作为起始点，其实我们一般取的时间戳其实是起始点到现在的时间差，如果我们能确定我们取的时间都是某个时间点以后的时间，那么可以将时间戳的起始点改成这个时间点，Leaf项目中，如果不设置起始时间，默认是2010年11月4日09:42:54，这样可以使得支持的最大时间增长，Leaf框架的支持最大时间是起始点之后的69年。

workID怎么分配？

Leaf使用Zookeeper作为注册中心，每次机器启动时去Zookeeper特定路径/forever/下读取子节点列表，每个子节点存储了IP:Port及对应的workId，遍历子节点列表，如果存在当前IP:Port对应的workId，就使用节点信息中存储的workId，不存在就创建一个永久有序节点，将序号作为workId，并且将workId信息写入本地缓存文件workerID.properties，供启动时连接Zookeeper失败，读取使用。因为workId只分配了10个二进制位，所以取值范围是0-1023。

序列号怎么生成？

序列号是12个二进制位，取值范围是0到4095，主要保证同一个leaf服务在同一毫秒内，生成的ID的唯一性。
序列号是生成流程如下：
1.当前时间戳与上一个ID的时间戳在同一毫秒内，那么对sequence+1，如果sequence+1超过了4095，那么进行等待，等到下一毫秒到了之后再生成ID。
2.当前时间戳与上一个ID的时间戳不在同一毫秒内，取一个100以内的随机数作为序列号。


if (lastTimestamp == timestamp) {
        sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;
        if (sequence == 0) {
            //seq 为0的时候表示是下一毫秒时间开始对seq做随机
            sequence = RANDOM.nextInt(100);
            timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp);
        }
} else {
    //如果是新的ms开始
       sequence = RANDOM.nextInt(100);
}
lastTimestamp = timestamp;

segment生成ID的模式

5e4ff128.png

这种模式需要依赖MySQL，表字段biz_tag代表业务名，max_id代表该业务目前已分配的最大ID值，step代表每次Leaf往数据库请求时，一次性分配的ID数量。

大致流程就是每个Leaf服务在内存中有两个Segment实例，每个Segement保存一个分段的ID，

一个Segment是当前用于分配ID，有一个value属性保存这个分段已分配的最大ID，以及一个max属性这个分段最大的ID。

另外一个Segement是备用的，当一个Segement用完时，会进行切换，使用另一个Segement进行使用。

当一个Segement的分段ID使用率达到10%时，就会触发另一个Segement去DB获取分段ID，初始化好分段ID供之后使用。

Segment {
    private AtomicLong value = new AtomicLong(0);
    private volatile long max;
    private volatile int step;
}
SegmentBuffer {
    private String key;
    private Segment[] segments; //双buffer
    private volatile int currentPos; //当前的使用的segment的index
    private volatile boolean nextReady; //下一个segment是否处于可切换状态
    private volatile boolean initOk; //是否初始化完成
    private final AtomicBoolean threadRunning; //线程是否在运行中
    private final ReadWriteLock lock;

    private volatile int step;
    private volatile int minStep;
    private volatile long updateTimestamp;
}

Leaf项目改进

目前Leaf项目存在的问题是

Snowflake生成ID相关：

1.注册中心只支持Zookeeper

而对于一些小公司或者项目组，其他业务没有使用到Zookeeper的话，为了部署Leaf服务而维护一个Zookeeper集群的代价太大。所以原项目中有issue在问”怎么支持非Zookeeper的注册中心“，由于一般项目中使用MySQL的概率会大很多，所以增加了使用MySQL作为注册中心，本地配置作为注册中心的功能。

2.潜在的时钟回拨问题

由于启动前，服务器时间调到了以前的时间或者进行了回拨，连接Zookeeper失败时会使用本地缓存文件workerID.properties中的workerId，而没有校验该ID生成的最大时间戳，可能会造成ID重复，对这个问题进行了修复。

3.时间差过大时，生成id为负数

因为缺少对时间差的校验，当时间差过大，转换为二进制数后超过41位后，在生成ID时会造成溢出，使得符号位为1，生成id为负数。

Segement生成ID相关：

没有太多问题，主要是根据一些issue对代码进行了性能优化。

具体改进如下：

Snowflake生成ID相关的改进：

1.针对Leaf原项目中的issue#84，增加zk_recycle模式（注册中心为zk，workId循环使用）

2.针对Leaf原项目中的issue#100，增加MySQL模式(注册中心为MySQL)

3.针对Leaf原项目中的issue#100，增加Local模式(注册中心为本地项目配置)

4.针对Leaf原项目中的issue#84，修复启动时时钟回拨的问题

5.针对Leaf原项目中的issue#106，修复时间差过大，超过41位溢出，导致生成的id负数的问题

Segement生成ID相关的改进：

1.针对Leaf原项目中的issue#68，优化SegmentIDGenImpl.updateCacheFromDb()方法。

2.针对Leaf原项目中的 issue#88，使用位运算&替换取模运算

snowflake算法生成ID的相关改进

Leaf项目原来的注册中心的模式(我们暂时命令为zk_normal模式)
使用Zookeeper作为注册中心，每次机器启动时去Zookeeper特定路径下读取子节点列表，如果存在当前IP:Port对应的workId，就使用节点信息中存储的workId，不存在就创建一个永久有序节点，将序号作为workId，并且将workId信息写入本地缓存文件workerID.properties，供启动时连接Zookeeper失败，读取使用。

1.针对Leaf原项目中的issue#84，增加zk_recycle模式（注册中心为zk，workId循环使用）

问题详情：

issue#84：workid是否支持回收？

SnowflakeService模式中，workid是否支持回收？分布式环境下，每次重新部署可能就换了一个ip，如果没有回收的话1024个机器标识很快就会消耗完，为什么zk不用临时节点去存储呢，这样能动态感知服务上下线，对workid进行管理回收？

解决方案：

开发了zk_recycle模式，针对使用snowflake生成分布式ID的技术方案，原本是使用Zookeeper作为注册中心为每个服务根据IP:Port分配一个固定的workId，workId生成范围为0到1023，workId不支持回收，所以在Leaf的原项目中有人提出了一个issue#84 workid是否支持回收？，因为当部署Leaf的服务的IP和Port不固定时，如果workId不支持回收，当workId超过最大值时，会导致生成的分布式ID的重复。所以增加了workId循环使用的模式zk_recycle。

如何使用zk_recycle模式?

在Leaf/leaf-server/src/main/resources/leaf.properties中添加以下配置

//开启snowflake服务
leaf.snowflake.enable=true
//leaf服务的端口，用于生成workId
leaf.snowflake.port=
//将snowflake模式设置为zk_recycle，此时注册中心为Zookeeper，并且workerId可复用
leaf.snowflake.mode=zk_recycle
//zookeeper的地址
leaf.snowflake.zk.address=localhost:2181

启动LeafServerApplication，调用/api/snowflake/get/test就可以获得此种模式下生成的分布式ID。

curl domain/api/snowflake/get/test
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zk_recycle模式实现原理

按照上面的配置在leaf.properties里面进行配置后，

if(mode.equals(SnowflakeMode.ZK_RECYCLE)) {//注册中心为zk,对ip:port分配的workId是课循环利用的模式
     String    zkAddress = properties.getProperty(Constants.LEAF_SNOWFLAKE_ZK_ADDRESS);
     RecyclableZookeeperHolder holder    = new RecyclableZookeeperHolder(Utils.getIp(),port,zkAddress);
     idGen = new SnowflakeIDGenImpl(holder);
     if (idGen.init()) {
     logger.info("Snowflake Service Init Successfully in mode " + mode);
     } else {
     throw new InitException("Snowflake Service Init Fail");
     }
}

此时SnowflakeIDGenImpl使用的holder是RecyclableZookeeperHolder的实例，workId是可循环利用的，RecyclableZookeeperHolder工作流程如下：
1.首先会在未使用的workId池(zookeeper路径为/snowflake/leaf.name/recycle/notuse/)中生成所有workId。
2.然后每次服务器启动时都是去未使用的workId池取一个新的workId，然后放到正在使用的workId池(zookeeper路径为/snowflake/leaf.name/recycle/inuse/)下，将此workId用于Id生成，并且定时上报时间戳，更新zookeeper中的节点信息。
3.并且定时检测正在使用的workId池，发现某个workId超过最大时间没有更新时间戳的workId，会把它从正在使用的workId池移出，然后放到未使用的workId池中，以供workId循环使用。
4.并且正在使用这个很长时间没有更新时间戳的workId的服务器，在发现自己超过最大时间，还没有上报时间戳成功后，会停止id生成服务，以防workId被其他服务器循环使用，导致id重复。



2.针对Leaf原项目中的issue#100，增加MySQL模式(注册中心为MySQL)

问题详情：

issue#100：如何使用非zk的注册中心？

解决方案：

开发了mysql模式，这种模式注册中心为MySQL，针对每个ip:port的workid是固定的。

如何使用这种mysql模式?

需要先在数据库执行项目中的leaf_workerid_alloc.sql，完成建表，然后在Leaf/leaf-server/src/main/resources/leaf.properties中添加以下配置

//开启snowflake服务
leaf.snowflake.enable=true
//leaf服务的端口，用于生成workId
leaf.snowflake.port=
//将snowflake模式设置为mysql，此时注册中心为Zookeeper，workerId为固定分配
leaf.snowflake.mode=mysql
//mysql数据库地址
leaf.jdbc.url=
leaf.jdbc.username=
leaf.jdbc.password=

启动LeafServerApplication，调用/api/snowflake/get/test就可以获得此种模式下生成的分布式ID。

curl domain/api/snowflake/get/test
1256557484213448722

实现原理

使用上面的配置后，此时SnowflakeIDGenImpl使用的holder是SnowflakeMySQLHolder的实例。实现原理与Leaf原项目默认的模式，使用Zookeeper作为注册中心，每个ip:port的workid是固定的实现原理类似，只是注册，获取workid，及更新时间戳是与MySQL进行交互，而不是Zookeeper。

if (mode.equals(SnowflakeMode.MYSQL)) {//注册中心为mysql
		DruidDataSource dataSource = new DruidDataSource();
		dataSource.setUrl(properties.getProperty(Constants.LEAF_JDBC_URL));
dataSource.setUsername(properties.getProperty(Constants.LEAF_JDBC_USERNAME));
dataSource.setPassword(properties.getProperty(Constants.LEAF_JDBC_PASSWORD));
		dataSource.init();
		// Config Dao
		WorkerIdAllocDao dao = new WorkerIdAllocDaoImpl(dataSource);
		SnowflakeMySQLHolder holder = new SnowflakeMySQLHolder(Utils.getIp(), port, dao);
		idGen = new SnowflakeIDGenImpl(holder);
		if (idGen.init()) {
				logger.info("Snowflake Service Init Successfully in mode " + mode);
		} else {
				throw new InitException("Snowflake Service Init Fail");
    }
}

3.针对Leaf原项目中的issue#100，增加Local模式(注册中心为本地项目配置)

问题详情：

issue#100：如何使用非zk的注册中心？

解决方案：

开发了local模式，这种模式就是适用于部署Leaf服务的IP和Port基本不会变化的情况，就是在Leaf项目中的配置文件leaf.properties中显式得配置某某IP:某某Port对应哪个workId，每次部署新机器时，将IP:Port的时候在项目中添加这个配置，然后启动时项目会去读取leaf.properties中的配置，读取完写入本地缓存文件workId.json，下次启动时直接读取workId.json，最大时间戳也每次同步到机器上的缓存文件workId.json中。

如何使用这种local模式?

在Leaf/leaf-server/src/main/resources/leaf.properties中添加以下配置

//开启snowflake服务
leaf.snowflake.enable=true
//leaf服务的端口，用于生成workId
leaf.snowflake.port=
#注册中心为local的的模式
#leaf.snowflake.mode=local
#leaf.snowflake.local.workIdMap=
#workIdMap的格式是这样的{"Leaf服务的ip:端口":"固定的workId"},例如:{"10.1.46.33:8080":1,"10.1.46.33:8081":2}

启动LeafServerApplication，调用/api/snowflake/get/test就可以获得此种模式下生成的分布式ID。

curl domain/api/snowflake/get/test
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4.针对Leaf原项目中的issue#84，修复启动时时钟回拨的问题

问题详情：

issue#84：因为当使用默认的模式(我们暂时命令为zk_normal模式)，注册中心为Zookeeper，workId不可复用，上面介绍了这种模式的工作流程，当Leaf服务启动时，连接Zookeeper失败，那么会去本机缓存中读取workerID.properties文件，读取workId进行使用，但是由于workerID.properties中只存了workId信息，没有存储上次上报的最大时间戳，所以没有进行时间戳判断，所以如果机器的当前时间被修改到之前，就可能会导致生成的ID重复。

解决方案：

所以增加了更新时间戳到本地缓存的机制，每次在上报时间戳时将时间戳同时写入本机缓存workerID.properties，并且当使用本地缓存workerID.properties中的workId时，对时间戳进行校验，当前系统时间戳<缓存中的时间戳时，才使用这个workerId。

//连接失败，使用本地workerID.properties中的workerID，并且对时间戳进行校验。
try {
		Properties properties = new Properties();
		properties.load(new FileInputStream(new File(PROP_PATH.replace("{port}", port + ""))));
		Long maxTimestamp = 				 Long.valueOf(properties.getProperty("maxTimestamp"));
		if (maxTimestamp!=null && System.currentTimeMillis() <maxTimestamp) 		{
				throw new CheckLastTimeException("init timestamp check error,forever node timestamp gt this node time");
		}
		workerID = Integer.valueOf(properties.getProperty("workerID"));
		LOGGER.warn("START FAILED ,use local node file properties workerID-{}", workerID);
} catch (Exception e1) {
		LOGGER.error("Read file error ", e1);
		return false;
}      

//定时任务每3s执行一次updateNewData()方法，调用更新updateLocalWorkerID()更新缓存文件workerID.properties
void updateNewData(CuratorFramework curator, String path) {
      try {
          if (System.currentTimeMillis() < lastUpdateTime) {
            	return;
          }
          curator.setData().forPath(path, buildData().getBytes());
          updateLocalWorkerID(workerID);
          lastUpdateTime = System.currentTimeMillis();
      } catch (Exception e) {
        	LOGGER.info("update init data error path is {} error is {}", path, e);
      }
}

5.针对Leaf原项目中的issue#106，修复时间差过大，超过41位溢出，导致生成的id负数的问题

问题详情：

因为Leaf框架是沿用snowflake的位数分配
最大41位时间差+10位的workID+12位序列化，但是由于snowflake是强制要求第一位为符号位0，否则生成的id转换为十进制后会是复试，但是Leaf项目中没有对时间差进行校验，当时间戳过大或者自定义的twepoch设置不当过小，会导致计算得到的时间差过大，转化为2进制后超过41位，且第一位为1，会导致生成的long类型的id为负数，例如当timestamp = twepoch+2199023255552L时，
此时在生成id时，timestamp - twepoch会等于2199023255552，2199023255552转换为二进制后是1+41个0，此时生成的id由于符号位是1，id会是负数-9223372036854775793

 long id = ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) | (workerId << workerIdShift) | sequence;

解决方案：

//一开始将最大的maxTimeStamp计算好
this.maxTimeStamp = ~(-1L << timeStampBits) + twepoch;
//然后生成ID时进行校验
if (timestamp>maxTimeStamp) {
    throw new OverMaxTimeStampException("current timestamp is over maxTimeStamp, the generate id will be negative");
}

针对Segement生成分布式ID相关的改进

1.针对Leaf原项目中的issue#68，优化SegmentIDGenImpl.updateCacheFromDb()方法

针对issue#68里面的优化方案，对Segement Buffer的缓存数据与DB数据同步的工作流程进行了进一步优化，主要是对
对SegmentIDGenImpl.updateCacheFromDb()方法进行了优化。

原方案工作流程:
1.遍历cacheTags，将dbTags的副本insertTagsSet中存在的元素移除，使得insertTagsSet只有db新增的tag
2.遍历insertTagsSet，将这些新增的元素添加到cache中
3.遍历dbTags，将cacheTags的副本removeTagsSet中存在的元素移除，使得removeTagsSet只有cache中过期的tag
4.遍历removeTagsSet，将过期的元素移除cache
这种方案需要经历四次循环，使用两个HashSet分别存储db中新增的tag，cache中过期的tag，
并且为了筛选出新增的tag，过期的tag，对每个现在使用的tag有两次删除操作，





原有方案代码如下：

    List<String> dbTags = dao.getAllTags();
    if (dbTags == null || dbTags.isEmpty()) {
        return;
    }
    List<String> cacheTags = new ArrayList<String>(cache.keySet());
    Set<String> insertTagsSet = new HashSet<>(dbTags);
    Set<String> removeTagsSet = new HashSet<>(cacheTags);
    //db中新加的tags灌进cache
    for(int i = 0; i < cacheTags.size(); i++){
        String tmp = cacheTags.get(i);
        if(insertTagsSet.contains(tmp)){
            insertTagsSet.remove(tmp);
        }
    }
    for (String tag : insertTagsSet) {
        SegmentBuffer buffer = new SegmentBuffer();
        buffer.setKey(tag);
        Segment segment = buffer.getCurrent();
        segment.setValue(new AtomicLong(0));
        segment.setMax(0);
        segment.setStep(0);
        cache.put(tag, buffer);
        logger.info("Add tag {} from db to IdCache, SegmentBuffer {}", tag, buffer);
    }
    //cache中已失效的tags从cache删除
    for(int i = 0; i < dbTags.size(); i++){
        String tmp = dbTags.get(i);
        if(removeTagsSet.contains(tmp)){
            removeTagsSet.remove(tmp);
        }
    }
    for (String tag : removeTagsSet) {
        cache.remove(tag);
        logger.info("Remove tag {} from IdCache", tag);
    }

实际上我们并不需要这些中间过程，现方案工作流程：
只需要遍历dbTags，判断cache中是否存在这个key，不存在就是新增元素，进行新增。
遍历cacheTags，判断dbSet中是否存在这个key，不存在就是过期元素，进行删除。

现有方案代码：

    List<String> dbTags = dao.getAllTags();
    if (dbTags == null || dbTags.isEmpty()) {
        return;
    }
    //将dbTags中新加的tag添加cache，通过遍历dbTags，判断是否在cache中存在，不存在就添加到cache
    for (String dbTag : dbTags) {
        if (cache.containsKey(dbTag)==false) {
            SegmentBuffer buffer = new SegmentBuffer();
            buffer.setKey(dbTag);
            Segment segment = buffer.getCurrent();
            segment.setValue(new AtomicLong(0));
            segment.setMax(0);
            segment.setStep(0);
            cache.put(dbTag, buffer);
            logger.info("Add tag {} from db to IdCache, SegmentBuffer {}", dbTag, buffer);
        }
    }
    List<String> cacheTags = new ArrayList<String>(cache.keySet());
    Set<String>  dbTagSet     = new HashSet<>(dbTags);
    //将cache中已失效的tag从cache删除，通过遍历cacheTags，判断是否在dbTagSet中存在，不存在说明过期，直接删除
    for (String cacheTag : cacheTags) {
        if (dbTagSet.contains(cacheTag) == false) {
            cache.remove(cacheTag);
            logger.info("Remove tag {} from IdCache", cacheTag);
        }
    }

两个方案对比：

  • 空间复杂度
    相比原方案需要使用两个HashSet，这种方案的只需要使用一个hashSet，空间复杂度会低一些。
  • 时间复杂度
    总遍历次数会比原来的少，时间复杂度更低，因为判断是新增，过期的情况就直接处理了，不需要后续再单独遍历，
    而且不需要对cache和dbtag的交集进行删除操作，因为原来方案为了获得新增的元素，是将dbSet的副本中现有元素进行删除得到。

  • 代码可读性
    原方案是4个for循环，总共35行代码，现方案是2个for循环，总共25行代码，更加简洁易懂。

2.针对Leaf原项目中的issue#88，使用位运算&替换取模运算

这个更新是针对这个issue#88 提出的问题，使用位运算&来代替取模运算%，执行效率更高。
原代码：

public int nextPos() {
        return (currentPos + 1) % 2;
}

现代码：

public int nextPos() {
        return (currentPos + 1) & 1;
}
标签
ZooKeeper
snowflake
mysql
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