UidGenerator

In English

UidGenerator是Java实现的, 基于Snowflake 算法的唯一ID生成器。UidGenerator以组件形式工作在应用项目中, 支持自定义workerId位数和初始化策略, 从而适用于docker 等虚拟化环境下实例自动重启、漂移等场景。 在实现上, UidGenerator通过借用未来时间来解决sequence天然存在的并发限制; 采用RingBuffer来缓存已生成的UID, 并行化UID的生产和消费, 同时对CacheLine补齐，避免了由RingBuffer带来的硬件级「伪共享」问题. 最终单机QPS可达600万。

依赖版本：Java8 及以上版本, MySQL (内置WorkerID分配器, 启动阶段通过DB进行分配; 如自定义实现, 则DB非必选依赖）

Snowflake算法

Snowflake算法描述：指定机器 & 同一时刻 & 某一并发序列，是唯一的。据此可生成一个64 bits的唯一ID（long）。默认采用上图字节分配方式：

• sign(1bit)
  固定1bit符号标识，即生成的UID为正数。

• delta seconds (28 bits)
  当前时间，相对于时间基点"2016-05-20"的增量值，单位：秒，最多可支持约8.7年

• worker id (22 bits)
  机器id，最多可支持约420w次机器启动。内置实现为在启动时由数据库分配，默认分配策略为用后即弃，后续可提供复用策略。

• sequence (13 bits)
  每秒下的并发序列，13 bits可支持每秒8192个并发。

以上参数均可通过Spring进行自定义

CachedUidGenerator

RingBuffer环形数组，数组每个元素成为一个slot。RingBuffer容量，默认为Snowflake算法中sequence最大值，且为2^N。可通过boostPower配置进行扩容，以提高RingBuffer 读写吞吐量。

Tail指针、Cursor指针用于环形数组上读写slot：

• Tail指针
  表示Producer生产的最大序号(此序号从0开始，持续递增)。Tail不能超过Cursor，即生产者不能覆盖未消费的slot。当Tail已赶上curosr，此时可通过rejectedPutBufferHandler指定PutRejectPolicy

• Cursor指针
  表示Consumer消费到的最小序号(序号序列与Producer序列相同)。Cursor不能超过Tail，即不能消费未生产的slot。当Cursor已赶上tail，此时可通过rejectedTakeBufferHandler指定TakeRejectPolicy

CachedUidGenerator采用了双RingBuffer，Uid-RingBuffer用于存储Uid、Flag-RingBuffer用于存储Uid状态(是否可填充、是否可消费)

由于数组元素在内存中是连续分配的，可最大程度利用CPU cache以提升性能。但同时会带来「伪共享」FalseSharing问题，为此在Tail、Cursor指针、Flag-RingBuffer中采用了CacheLine 补齐方式。

RingBuffer填充时机

• 初始化预填充
  RingBuffer初始化时，预先填充满整个RingBuffer.

• 即时填充
  Take消费时，即时检查剩余可用slot量(tail - cursor)，如小于设定阈值，则补全空闲slots。阈值可通过paddingFactor来进行配置，请参考Quick Start中CachedUidGenerator配置

• 周期填充
  通过Schedule线程，定时补全空闲slots。可通过scheduleInterval配置，以应用定时填充功能，并指定Schedule时间间隔

快速开始

这里介绍如何使用UidGenerator, 具体流程如下:

步骤1: 安装依赖

先下载Java8, MySQL 和Maven

设置环境变量

maven无须安装, 设置好MAVEN_HOME即可. 可像下述脚本这样设置JAVA_HOME和MAVEN_HOME, 如已设置请忽略.

export MAVEN_HOME=/xxx/xxx/software/maven/apache-maven-3.3.9
export PATH=$MAVEN_HOME/bin:$PATH
JAVA_HOME="/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_91.jdk/Contents/Home";
export JAVA_HOME;

步骤2: 创建表WORKER_NODE

运行sql脚本以导入表WORKER_NODE, 脚本如下:

DROP DATABASE IF EXISTS `xxxx`;
CREATE DATABASE `xxxx` ;
use `xxxx`;
DROP TABLE IF EXISTS WORKER_NODE;
CREATE TABLE WORKER_NODE
(
ID BIGINT NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT 'auto increment id',
HOST_NAME VARCHAR(64) NOT NULL COMMENT 'host name',
PORT VARCHAR(64) NOT NULL COMMENT 'port',
TYPE INT NOT NULL COMMENT 'node type: ACTUAL or CONTAINER',
LAUNCH_DATE DATE NOT NULL COMMENT 'launch date',
MODIFIED TIMESTAMP NOT NULL COMMENT 'modified time',
CREATED TIMESTAMP NOT NULL COMMENT 'created time',
PRIMARY KEY(ID)
)
 COMMENT='DB WorkerID Assigner for UID Generator',ENGINE = INNODB;

修改application.yaml配置中, spring.datasource.url, spring.datasource.username和spring.datasource.password, 确保库地址, 名称, 端口号, 用户名和密码正确.

步骤3: 修改Spring配置

提供了两种生成器: DefaultUidGenerator、CachedUidGenerator。如对UID生成性能有要求, 请使用CachedUidGenerator

修改application.yaml配置中uid-generator.*

步骤4: 运行示例单测

运行单测CachedUidGeneratorTest, 展示UID生成、解析等功能

@Resource(name = "cachedUidGenerator")
private UidGenerator uidGenerator;

@Test
public void testSerialGenerate() {
    // Generate UID
    long uid = uidGenerator.getUID();

    // Parse UID into [Timestamp, WorkerId, Sequence]
    // {"UID":"180363646902239241","parsed":{    "timestamp":"2017-01-19 12:15:46",    "workerId":"4",    "sequence":"9"        }}
    System.out.println(uidGenerator.parseUID(uid));

}

步骤5：HTTP访问

GET http://localhost:8888/generator

关于UID比特分配的建议

对于并发数要求不高、期望长期使用的应用, 可增加timeBits位数, 减少seqBits位数. 例如节点采取用完即弃的WorkerIdAssigner策略, 重启频率为12次/天, 那么配置成{"workerBits":23,"timeBits":31,"seqBits":9}时, 可支持28个节点以整体并发量14400 UID/s的速度持续运行68年.

对于节点重启频率频繁、期望长期使用的应用, 可增加workerBits和timeBits位数, 减少seqBits位数. 例如节点采取用完即弃的WorkerIdAssigner策略, 重启频率为24*12次/天, 那么配置成{"workerBits":27,"timeBits":30,"seqBits":6}时, 可支持37个节点以整体并发量2400 UID/s的速度持续运行34年.

吞吐量测试

在MacBook Pro（2.7GHz Intel Core i5, 8G DDR3）上进行了CachedUidGenerator（单实例）的UID吞吐量测试.
首先固定住workerBits为任选一个值(如20), 分别统计timeBits变化时(如从25至32, 总时长分别对应1年和136年)的吞吐量, 如下表所示:

timeBits	25	26	27	28	29	30	31	32
throughput	6,831,465	7,007,279	6,679,625	6,499,205	6,534,971	7,617,440	6,186,930	6,364,997

再固定住timeBits为任选一个值(如31), 分别统计workerBits变化时(如从20至29, 总重启次数分别对应1百万和500百万)的吞吐量, 如下表所示:

workerBits	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29
throughput	6,186,930	6,642,727	6,581,661	6,462,726	6,774,609	6,414,906	6,806,266	6,223,617	6,438,055	6,435,549

由此可见, 不管如何配置, CachedUidGenerator总能提供600万/s的稳定吞吐量, 只是使用年限会有所减少. 这真的是太棒了.

最后, 固定住workerBits和timeBits位数(如23和31), 分别统计不同数目(如1至8,本机CPU核数为4)的UID使用者情况下的吞吐量,

workerBits	1	2	3	4	5	6	7	8
throughput	6,462,726	6,542,259	6,077,717	6,377,958	7,002,410	6,599,113	7,360,934	6,490,969