分庫分表的 9種分散式主鍵ID 生成方案，挺全乎的

《sharding-jdbc 分庫分表的 4種分片策略》 中我們介紹了 sharding-jdbc 4種分片策略的使用場景，可以滿足基礎的分片功能開發，這篇我們來看看分庫分表後，應該如何為分片表生成全域性唯一的主鍵 ID。

引入任何一種技術都是存在風險的，分庫分表當然也不例外，除非庫、表資料量持續增加，大到一定程度，以至於現有高可用架構已無法支撐，否則不建議大家做分庫分表，因為做了資料分片後，你會發現自己踏上了一段踩坑之路，而分散式主鍵 ID 就是遇到的第一個坑。

不同資料節點間生成全域性唯一主鍵是個棘手的問題，一張邏輯表 t_order 拆分成多個真實表 t_order_n，然後被分散到不同分片庫 db_0、db_1… ，各真實表的自增鍵由於無法互相感知從而會產生重複主鍵，此時資料庫本身的自增主鍵，就無法滿足分庫分表對主鍵全域性唯一的要求。

 db_0--
    |-- t_order_0
    |-- t_order_1
    |-- t_order_2
 db_1--
    |-- t_order_0
    |-- t_order_1
    |-- t_order_2

儘管我們可以透過嚴格約束，各個分片表自增主鍵的 初始值 和 步長 的方式來解決 ID 重複的問題，但這樣會讓運維成本陡增，而且可擴充套件性極差，一旦要擴容分片表數量，原表資料變動比較大，所以這種方式不太可取。

 步長 step = 分表張數

 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...

目前已經有了許多第三放解決方案可以完美解決這個問題，比如基於 UUID、SNOWFLAKE演算法 、segment號段，使用特定演算法生成不重複鍵，或者直接引用主鍵生成服務，像美團（Leaf）和 滴滴（TinyId）等。

而sharding-jdbc 內建了兩種分散式主鍵生成方案，UUID、SNOWFLAKE，不僅如此它還抽離出分散式主鍵生成器的介面，以便於開發者實現自定義的主鍵生成器，後續我們會在自定義的生成器中接入 滴滴（TinyId）的主鍵生成服務。

前邊介紹過在 sharding-jdbc 中要想為某個欄位自動生成主鍵 ID，只需要在 application.properties 檔案中做如下配置:

# 主鍵欄位
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.column=order_id
# 主鍵ID 生成方案
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.type=UUID
# 工作機器 id
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.props.worker.id=123

key-generator.column 表示主鍵欄位，key-generator.type 為主鍵 ID 生成方案（內建或自定義的），key-generator.props.worker.id 為機器ID，在主鍵生成方案設為 SNOWFLAKE 時機器ID 會參與位運算。

在使用 sharding-jdbc 分散式主鍵時需要注意兩點：

• 一旦 insert 插入操作的實體物件中主鍵欄位已經賦值，那麼即使配置了主鍵生成方案也會失效，最後SQL 執行的資料會以賦的值為準。
• 不要給主鍵欄位設定自增屬性，否則主鍵ID 會以預設的 SNOWFLAKE 方式生成。比如：用 mybatis plus 的 @TableId 註解給欄位 order_id 設定了自增主鍵，那麼此時配置哪種方案，總是按雪花演算法生成。

---

下面我們從原始碼上分析下 sharding-jdbc 內建主鍵生成方案 UUID、SNOWFLAKE 是怎麼實現的。

UUID

開啟 UUID 型別的主鍵生成實現類 UUIDShardingKeyGenerator 的原始碼發現，它的生成規則只有 UUID.randomUUID() 這麼一行程式碼，額~ 心中默默來了一句臥槽。

UUID 雖然可以做到全域性唯一性，但還是不推薦使用它作為主鍵，因為我們的實際業務中不管是 user_id 還是 order_id 主鍵多為整型，而 UUID 生成的是個 32 位的字串。

它的儲存以及查詢對 MySQL 的效能消耗較大，而且 MySQL 官方也明確建議，主鍵要儘量越短越好，作為資料庫主鍵 UUID 的無序性還會導致資料位置頻繁變動，嚴重影響效能。

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（雪花演算法）是預設使用的主鍵生成方案，生成一個 64bit的長整型（Long）資料。

sharding-jdbc 中雪花演算法生成的主鍵主要由 4部分組成，1bit符號位、41bit時間戳位、10bit工作程式位以及 12bit 序列號位。

符號位（1bit位）

Java 中 Long 型的最高位是符號位，正數是0，負數是1，一般生成ID都為正數，所以預設為0

時間戳位（41bit）

41位的時間戳可以容納的毫秒數是 2 的 41次冪，而一年的總毫秒數為 1000L * 60 * 60 * 24 * 365，計算使用時間大概是69年，額~，我有生之間算是夠用了。

Math.pow(2, 41) / (365 * 24 * 60 * 60 * 1000L) = = 69年 

工作程式位（10bit）

表示一個唯一的工作程式id，預設值為 0，可透過 key-generator.props.worker.id 屬性設定。

spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.props.worker.id=0000

序列號位（12bit）

同一毫秒內生成不同的ID。

時鐘回撥

瞭解了雪花演算法的主鍵 ID 組成後不難發現，這是一種嚴重依賴於伺服器時間的演算法，而依賴伺服器時間的就會遇到一個棘手的問題：時鐘回撥。

為什麼會出現時鐘回撥呢？

網際網路中有一種網路時間協議 ntp 全稱 (Network Time Protocol) ，專門用來同步、校準網路中各個計算機的時間。

這就是為什麼，我們的手機現在不用手動校對時間，可每個人的手機時間還都是一樣的。

我們的硬體時鐘可能會因為各種原因變得不準（ 快了 或 慢了 ），此時就需要 ntp 服務來做時間校準，做校準的時候就會發生伺服器時鐘的 跳躍 或者 回撥 的問題。

雪花演算法如何解決時鐘回撥

伺服器時鐘回撥會導致產生重複的 ID，SNOWFLAKE 方案中對原有雪花演算法做了改進，增加了一個最大容忍的時鐘回撥毫秒數。

如果時鐘回撥的時間超過最大容忍的毫秒數閾值，則程式直接報錯；如果在可容忍的範圍內，預設分散式主鍵生成器，會等待時鐘同步到最後一次主鍵生成的時間後再繼續工作。

最大容忍的時鐘回撥毫秒數，預設值為 0，可透過屬性 max.tolerate.time.difference.milliseconds 設定。

# 最大容忍的時鐘回撥毫秒數
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.max.tolerate.time.difference.milliseconds=5

下面是看下它的原始碼實現類 SnowflakeShardingKeyGenerator，核心流程大概如下：

最後一次生成主鍵的時間 lastMilliseconds 與 當前時間currentMilliseconds 做比較，如果 lastMilliseconds > currentMilliseconds則意味著時鐘回撥了。

那麼接著判斷兩個時間的差值（timeDifferenceMilliseconds）是否在設定的最大容忍時間閾值 max.tolerate.time.difference.milliseconds內，在閾值內則執行緒休眠差值時間 Thread.sleep(timeDifferenceMilliseconds)，否則大於差值直接報異常。

/**
 * @author xiaofu
 */
public final class SnowflakeShardingKeyGenerator implements ShardingKeyGenerator{
    @Getter
    @Setter
    private Properties properties = new Properties();

    public String getType() {
        return "SNOWFLAKE";
    }

    public synchronized Comparable<?> generateKey() {
        /**
         * 當前系統時間毫秒數 
         */ 
        long currentMilliseconds = timeService.getCurrentMillis();
        /**
         * 判斷是否需要等待容忍時間差，如果需要，則等待時間差過去，然後再獲取當前系統時間 
         */ 
        if (waitTolerateTimeDifferenceIfNeed(currentMilliseconds)) {
            currentMilliseconds = timeService.getCurrentMillis();
        }
        /**
         * 如果最後一次毫秒與 當前系統時間毫秒相同，即還在同一毫秒內 
         */
        if (lastMilliseconds == currentMilliseconds) {
            /**
             * &位與運算子：兩個數都轉為二進位制，如果相對應位都是1，則結果為1，否則為0
             * 當序列為4095時，4095+1後的新序列與掩碼進行位與運算結果是0
             * 當序列為其他值時，位與運算結果都不會是0
             * 即本毫秒的序列已經用到最大值4096，此時要取下一個毫秒時間值
             */
            if (0L == (sequence = (sequence + 1) & SEQUENCE_MASK)) {
                currentMilliseconds = waitUntilNextTime(currentMilliseconds);
            }
        } else {
            /**
             * 上一毫秒已經過去，把序列值重置為1 
             */
            vibrateSequenceOffset();
            sequence = sequenceOffset;
        }
        lastMilliseconds = currentMilliseconds;

        /**
         * XX......XX XX000000 00000000 00000000    時間差 XX
         *          XXXXXX XXXX0000 00000000    機器ID XX
         *                     XXXX XXXXXXXX    序列號 XX
         *  三部分進行|位或運算：如果相對應位都是0，則結果為0，否則為1
         */
        return ((currentMilliseconds - EPOCH) << TIMESTAMP_LEFT_SHIFT_BITS) | (getWorkerId() << WORKER_ID_LEFT_SHIFT_BITS) | sequence;
    }

    /**
     * 判斷是否需要等待容忍時間差
     */
    @SneakyThrows
    private boolean waitTolerateTimeDifferenceIfNeed(final long currentMilliseconds) {
        /**
         * 如果獲取ID時的最後一次時間毫秒數小於等於當前系統時間毫秒數，屬於正常情況，則不需要等待 
         */
        if (lastMilliseconds <= currentMilliseconds) {
            return false;
        }
        /**
         * ===>時鐘回撥的情況（生成序列的時間大於當前系統的時間），需要等待時間差 
         */
        /**
         * 獲取ID時的最後一次毫秒數減去當前系統時間毫秒數的時間差 
         */
        long timeDifferenceMilliseconds = lastMilliseconds - currentMilliseconds;
        /**
         * 時間差小於最大容忍時間差，即當前還在時鐘回撥的時間差之內 
         */
        Preconditions.checkState(timeDifferenceMilliseconds < getMaxTolerateTimeDifferenceMilliseconds(), 
                "Clock is moving backwards, last time is %d milliseconds, current time is %d milliseconds", lastMilliseconds, currentMilliseconds);
        /**
         * 執行緒休眠時間差 
         */
        Thread.sleep(timeDifferenceMilliseconds);
        return true;
    }

    // 配置的機器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;
    }
}

但從 SNOWFLAKE 方案生成的主鍵ID 來看，order_id 它是一個18位的長整型數字，是不是發現它太長了，想要 MySQL 那種從 0 遞增的自增主鍵該怎麼實現呢？別急，後邊已經會給出瞭解決辦法！

自定義

sharding-jdbc 利用 SPI 全稱（ Service Provider Interface） 機制擴充主鍵生成規則，這是一種服務發現機制，透過掃描專案路徑 META-INF/services 下的檔案，並自動載入檔案裡所定義的類。

實現自定義主鍵生成器其實比較簡單，只有兩步。

第一步，實現 ShardingKeyGenerator 介面，並重寫其內部方法，其中 getType() 方法為自定義的主鍵生產方案型別、generateKey() 方法則是具體生成主鍵的規則。

下面程式碼中用 AtomicInteger 來模擬實現一個有序自增的 ID 生成。

/**
 * @Author: xiaofu
 * @Description: 自定義主鍵生成器
 */
@Component
public class MyShardingKeyGenerator implements ShardingKeyGenerator {


    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger();

    /**
     * 自定義的生成方案型別
     */
    @Override
    public String getType() {
        return "XXX";
    }

    /**
     * 核心方法-生成主鍵ID
     */
    @Override
    public Comparable<?> generateKey() {
        return count.incrementAndGet();
    }

    @Override
    public Properties getProperties() {
        return null;
    }

    @Override
    public void setProperties(Properties properties) {

    }
}

第二步，由於是利用 SPI 機制實現功能擴充，我們要在 META-INF/services 檔案中配置自定義的主鍵生成器類路勁。

com.xiaofu.sharding.key.MyShardingKeyGenerator

上面這些弄完我們測試一下，配置定義好的主鍵生成型別 XXX，並插入幾條資料看看效果。

spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.column=order_id
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.type=XXX

透過控制檯的SQL 解析日誌發現，order_id 欄位已按照有序自增的方式插入記錄，說明配置的沒問題。

舉一反九

既然可以自定義生成方案，那麼實現分散式主鍵的思路就很多了，又想到之前我寫的這篇 《9種 分散式ID生成方案》，發現可以完美相容，這裡挑選其中的 滴滴（Tinyid）來實踐一下，由於它是個單獨的分散式ID生成服務，所以要先搭建環境了。

Tinyid 的服務提供Http 和 Tinyid-client 兩種接入方式，下邊使用 Tinyid-client 方式快速使用，更多的細節到這篇文章裡看吧，實在是介紹過太多次了。

Tinyid 服務搭建

先拉原始碼 https://github.com/didi/tinyid.git。

由於是基於號段模式實現的分散式ID，所以依賴於資料庫，要建立相應的表 tiny_id_info 、tiny_id_token 並插入預設資料。

CREATE TABLE `tiny_id_info` (
    `id` BIGINT (20) UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '自增主鍵',
    `biz_type` VARCHAR (63) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '業務型別，唯一',
    `begin_id` BIGINT (20) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '開始id，僅記錄初始值，無其他含義。初始化時begin_id和max_id應相同',
    `max_id` BIGINT (20) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '當前最大id',
    `step` INT (11) DEFAULT '0' COMMENT '步長',
    `delta` INT (11) NOT NULL DEFAULT '1' COMMENT '每次id增量',
    `remainder` INT (11) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '餘數',
    `create_time` TIMESTAMP NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '建立時間',
    `update_time` TIMESTAMP NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '更新時間',
    `version` BIGINT (20) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '版本號',
    PRIMARY KEY (`id`),
    UNIQUE KEY `uniq_biz_type` (`biz_type`)
) ENGINE = INNODB AUTO_INCREMENT = 1 DEFAULT CHARSET = utf8 COMMENT 'id資訊表';

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可訪問的業務型別標識',
    `remark` VARCHAR (255) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '備註',
    `create_time` TIMESTAMP NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '建立時間',
    `update_time` TIMESTAMP NOT NULL DEFAULT '2010-01-01 00:00:00' COMMENT '更新時間',
    PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE = INNODB AUTO_INCREMENT = 1 DEFAULT CHARSET = utf8 COMMENT 'token資訊表';

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');

並在 Tinyid 服務中配置上邊表所在資料來源資訊

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

最後專案 maven install ，右鍵 TinyIdServerApplication 啟動服務， Tinyid 分散式ID生成服務就搭建完畢了。

自定義 Tinyid 主鍵型別

Tinyid 服務搭建完下邊在專案中引入它，新建個 tinyid_client.properties 檔案其中新增 tinyid.server 和 tinyid.token 屬性，token 為之前 SQL 預先插入的使用者資料。

# tinyid 分散式ID
# 服務地址
tinyid.server=127.0.0.1:9999
# 業務token
tinyid.token=0f673adf80504e2eaa552f5d791b644c

程式碼中獲取 ID更簡單，只需一行程式碼，業務型別 order 是之前 SQ L 預先插入的資料。

Long id = TinyId.nextId("order");

我們開始自定義 Tinyid 主鍵生成型別的實現類 TinyIdShardingKeyGenerator 。

/**
 * @Author: xiaofu
 * @Description: 自定義主鍵生成器
 */
@Component
public class TinyIdShardingKeyGenerator implements ShardingKeyGenerator {

    /**
     * 自定義的生成方案型別
     */
    @Override
    public String getType() {
        return "tinyid";
    }

    /**
     * 核心方法-生成主鍵ID
     */
    @Override
    public Comparable<?> generateKey() {

        Long id = TinyId.nextId("order");

        return id;
    }

    @Override
    public Properties getProperties() {
        return null;
    }

    @Override
    public void setProperties(Properties properties) {

    }
}

並在配置檔案中啟用 Tinyid 主鍵生成型別，到此配置完畢，趕緊測試一下。

# 主鍵欄位
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.column=order_id
# 主鍵ID 生成方案
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.type=tinyid

測試 Tinyid 主鍵

向資料庫插入訂單記錄測試發現，主鍵ID欄位 order_id 已經為趨勢遞增的了， Tinyid 服務成功接入，完美！

總結

後續的八種生成方式大家參考 《9種 分散式ID生成方案》 按需接入吧，整體比較簡單這裡就不依次實現了。

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