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Seata基于改良版雪花算法的分布式UUID生成器分析

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Seata内置了一个分布式UUID生成器,用于辅助生成全局事务ID和分支事务ID。我们希望该生成器具有如下特点:

  • 高性能
  • 全局唯一
  • 趋势递增

高性能不必多言。全局唯一很重要,否则不同的全局事务/分支事务会混淆在一起。 此外,趋势递增对于使用数据库作为TC集群的存储工具的用户而言,能降低数据页分裂的频率,从而减少数据库的IO压力 (branch_table表以分支事务ID作为主键)。

在老版Seata(1.4以前),该生成器的实现基于标准版的雪花算法。标准版雪花算法网上已经有很多解读文章了,此处就不再赘述了。 尚未了解的同学可以先看看网上的相关资料,再来看此文章。 此处我们谈谈标准版雪花算法的几个缺点:

  1. 时钟敏感。因为ID生成总是和当前操作系统的时间戳绑定的(利用了时间的单调递增性),因此若操作系统的时钟出现回拨, 生成的ID就会重复(一般而言不会人为地去回拨时钟,但服务器会有偶发的"时钟漂移"现象)。 对于此问题,Seata的解决策略是记录上一次的时间戳,若发现当前时间戳小于记录值(意味着出现了时钟回拨),则拒绝服务, 等待时间戳追上记录值。 但这也意味着这段时间内该TC将处于不可用状态。
  2. 突发性能有上限。标准版雪花算法宣称的QPS很大,约400w/s,但严格来说这算耍了个文字游戏~ 因为算法的时间戳单位是毫秒,而分配给序列号的位长度为12,即每毫秒4096个序列空间。 所以更准确的描述应该是4096/ms。400w/s与4096/ms的区别在于前者不要求每一毫秒的并发都必须低于4096 (也许有些毫秒会高于4096,有些则低于)。Seata亦遵循此限制,若当前时间戳的序列空间已耗尽,会自旋等待下一个时间戳。

在较新的版本上(1.4之后),该生成器针对原算法进行了一定的优化改良,很好地解决了上述的2个问题。 改进的核心思想是解除与操作系统时间戳的时刻绑定,生成器只在初始化时获取了系统当前的时间戳,作为初始时间戳, 但之后就不再与系统时间戳保持同步了。它之后的递增,只由序列号的递增来驱动。比如序列号当前值是4095,下一个请求进来, 序列号+1溢出12位空间,序列号重新归零,而溢出的进位则加到时间戳上,从而让时间戳+1。 至此,时间戳和序列号实际可视为一个整体了。实际上我们也是这样做的,为了方便这种溢出进位,我们调整了64位ID的位分配策略, 由原版的: 原版位分配策略

改成(即时间戳和节点ID换个位置): 改进版位分配策略

这样时间戳和序列号在内存上是连在一块的,在实现上就很容易用一个AtomicLong来同时保存它俩:

/**
* timestamp and sequence mix in one Long
* highest 11 bit: not used
* middle 41 bit: timestamp
* lowest 12 bit: sequence
*/
private AtomicLong timestampAndSequence;

最高11位可以在初始化时就确定好,之后不再变化:

/**
* business meaning: machine ID (0 ~ 1023)
* actual layout in memory:
* highest 1 bit: 0
* middle 10 bit: workerId
* lowest 53 bit: all 0
*/
private long workerId;

那么在生产ID时就很简单了:

public long nextId() {
// 获得递增后的时间戳和序列号
long next = timestampAndSequence.incrementAndGet();
// 截取低53位
long timestampWithSequence = next & timestampAndSequenceMask;
// 跟先前保存好的高11位进行一个或的位运算
return workerId | timestampWithSequence;
}

至此,我们可以发现:

  1. 生成器不再有4096/ms的突发性能限制了。倘若某个时间戳的序列号空间耗尽,它会直接推进到下一个时间戳, "借用"下一个时间戳的序列号空间(不必担心这种"超前消费"会造成严重后果,下面会阐述理由)。
  2. 生成器弱依赖于操作系统时钟。在运行期间,生成器不受时钟回拨的影响(无论是人为回拨还是机器的时钟漂移), 因为生成器仅在启动时获取了一遍系统时钟,之后两者不再保持同步。 唯一可能产生重复ID的只有在重启时的大幅度时钟回拨(人为刻意回拨或者修改操作系统时区,如北京时间改为伦敦时间~ 机器时钟漂移基本是毫秒级的,不会有这么大的幅度)。
  3. 持续不断的"超前消费"会不会使得生成器内的时间戳大大超前于系统的时间戳, 从而在重启时造成ID重复? 理论上如此,但实际几乎不可能。要达到这种效果,意味该生成器接收的QPS得持续稳定在400w/s之上~ 说实话,TC也扛不住这么高的流量,所以说呢,天塌下来有个子高的先扛着,瓶颈一定不在生成器这里。

此外,我们还调整了下节点ID的生成策略。原版在用户未手动指定节点ID时,会截取本地IPv4地址的低10位作为节点ID。 在实践生产中,发现有零散的节点ID重复的现象(多为采用k8s部署的用户)。例如这样的IP就会重复:

  • 192.168.4.10
  • 192.168.8.10

即只要IP的第4个字节和第3个字节的低2位一样就会重复。 新版的策略改为优先从本机网卡的MAC地址截取低10位,若本机未配置有效的网卡,则在[0, 1023]中随机挑一个作为节点ID。 这样调整后似乎没有新版的用户再报同样的问题了(当然,有待时间的检验,不管怎样,不会比IP截取策略更糟糕)。

以上就是对Seata的分布式UUID生成器的简析,如果您喜欢这个生成器,也可以直接在您的项目里使用它, 它的类声明是public的,完整类名为: io.seata.common.util.IdWorker

当然,如果您有更好的点子,也欢迎跟Seata社区讨论。