分布式发号器架构设计

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一、需求介绍

1、分布式环境下，保证每个序列号（sequence）是全系统唯一的；

2、序列号可排序，满足单调递增的规律；

3、特定场景下，能生成无规则（或者看不出规则）的序列号；

4、生成的序列号尽量短；

5、序列号可进行二次混淆，提供可扩展的interface，业务方自定义实现。

二、方案设计

为了满足上述需求，发号器必须能够支持不同的生成策略，最好是还能支持自定义的生成策略，这就对系统本身的可扩展性提出了要求。

目前，发号器设计了两种比较通用的基础策略，各有优缺点，但结合起来，能达到优势互补的目的。

1、segment
第一种策略称之为『分段』（segment），下文将对其进行详细阐述：

整个segment发号器有两个重要的角色：Redis和MongoDB，理论上MongoDB是可以被MySQL或其他DB产品所替代的。

segment发号器所产生的号码满足单调递增的规律，短时间内产生的号码不会有过长的问题（可根据实际需要，设置初始值，比如 100）。

Redis数据结构（Hash类型）

key: <string>，表示业务主键/名称
value: {
  cur: <long>，表示当前序列号
  max: <long>，表示这个号段最大的可用序列号
}

取号的大部分操作都集中在Redis，为了保证序列号递增的原子性，取号的功能可以用Lua脚本实现。

--[[
  由于RedisTemplate设置的HashValueSerializer是GenericToStringSerializer，故此处的HASH结构中的
  VALUE都是string类型，需要使用tonumber函数转换成数字类型。
]]
local max = redis.pcall("HGET", KEYS[1], "max")  --获取一段序列号的max
local cur = redis.pcall("HGET", KEYS[1], "cur")  --获取当前发号位置
if tonumber(cur) >= tonumber(max) then  --没有超过这段序列号的上限
    local step = ARGV[1]
    if (step == nil) then  --没有传入step参数
        step = redis.pcall("HGET", KEYS[1], "step")  --获取这段序列号的step配置参数值
    end
    redis.pcall("HSET", KEYS[1], "max", tonumber(max) + tonumber(step))  --调整max参数值，扩展上限
end
return redis.pcall("HINCRBY", KEYS[1], "cur", 1)  --触发HINCRBY操作，对cur自增，并返回自增后的值

注意：在redis执行lua script期间，redis处于BUSY状态，这个时候对redis的任何形式的访问都会抛出JedisBusyException异常，所以lua script中的处理逻辑不得太复杂。

值得一提的是，即使切换到一个新的database，或者开启新线程执行lua script，都将会遇到同样的问题，毕竟redis是单进程单线程的。

如果不幸遇到上述问题，需要使用redis-cli客户端连上redis-server，向其发送SCRIPT KILL命令，即可终止脚本执行，

如果想避免上述问题，也可以直接使用Springboot提供的RedisTemplate，能支持绝不大部分redis command。

MongoDB数据结构

{
 bizTag: <string>,  表示业务主键/名称
 max: <long>,  表示这个号段最大的可用序列号
 step: <int>, 每次分段的步长
 timestamp: <long>,  更新数据的时间戳（毫秒）
}

MongoDB部分主要是对号段的分配进行管理，一个号段不能多发，也可以根据发号情况，适当放缩号段步长（step）。

到此为止，segment发号器的雏形已经形成了。

一个比较突出的问题是在两个号段衔接的时间点，当一个segment派发完了后，会对MongoDB和Redis中的数据中的max扩容，I/O消耗比正常发号要稍多，会遇到“尖刺”，如下示意图：

为了消除“尖刺”，可以使用双Buffer模型。示意图如下：

这个模型的核心思想就是“预分配”。可以设置一个阈值（threshold），比如20%，当Buffer-1里面的号段已经消耗了20%，那么立刻根据Buffer-1的max和step，开辟Buffer-2。

当Buffer-1完全消耗了，可以无缝衔接Buffer-2,。如果Buffer-2的消耗也达到阈值了，又可以开辟Buffer-1，如此往复。

接下来，我们来讨论一下异常/故障情况。

① Redis宕机。因为大部分发号工作都是依靠Redis完成的，所以发生了这种情况是非常糟糕的。如果想有效降低此风险，最行之有效的办法是对Redis进行集群化，通常是1主2从，这样可以挺住非常高的QPS了。

当然也有退而求其次的办法，就是利用上述提到的双Buffer模型。不依赖Redis取号，直接通过程序控制，利用机器内存。所以当需要重启发号服务之前，要确保依赖的组件是运行良好的，不然号段就丢失了。

② 要不要持久化的问题。这个问题主要是针对Redis，如果没有记录下当前的取号进度，那么随着Redis的宕机，取号现场就变得难以恢复了；如果每次都记录取号进度，那么这种I/O高密度型的作业会对服务性能

造成一定影响，并且随着取号的时间延长，恢复取号现场就变得越来越慢了，甚至到最后是无法忍受的。除了对Redis做高可用之外，引入MongoDB也是出于对Redis持久化功能辅助的考虑。

个人建议：如果Redis已经集群化了，而且还开启了双Buffer的策略，以及MongoDB的加持，可以不用再开启Redis的持久化了。

如果考虑到极端情况下，Redis还是宕机了，我们可以使用MongoDB里面存下来的max，就max+1赋值给cur（避免上个号段取完，正好宕机了）。

③ MongoDB宕机。这个问题不是很严重，只要将step适当拉长一些（至少取号能支撑20分钟），利用Redis还在正常取号的时间来抢救MongoDB。不过，考虑到实际可能没这么快恢复mongo服务，可以在程序中采取

一些容错措施，比如号段用完了，mongo服务无法到达，直接关闭取号通道，直到MongoDB能正常使用；或者程序给一个默认的step，让MongoDB中的max延长到max+step*n（可能取了N个号段MongoDB才恢复过来），

这样取号服务也可以继续。依靠程序本身继续服务，那么需要有相关的log，这样才有利于恢复MongoDB中的数据。

④ 取号服务宕机。这个没什么好说的，只能尽快恢复服务运行了。

⑤ Redis，MongoDB都宕机了。这种情况已经很极端了，只能利用双Buffer策略，以及程序默认的设置进行工作了，同样要有相关的log，以便恢复Redis和MongoDB。

⑥ 都宕机了。我有一句mmp不知当讲不当讲……

2、snowflake

第二种策略是Twitter出品，算法思想比较巧妙，实现的难度也不大。

以上示意图描述了一个序列号的二进制组成结构。

第一位不用，恒为0，即表示正整数；

接下来的41位表示时间戳，精确到毫秒。为了节约空间，可以将此时间戳定义为距离某个时间点所经历的毫秒数（Java默认是1970-01-01 00:00:00）；

再后来的10位用来标识工作机器，如果出现了跨IDC的情况，可以将这10位一分为二，一部分用于标识IDC，一部分用于标识服务器；

最后12位是序列号，自增长。

snowflake的核心思想是64bit的合理分配，但不必要严格按照上图所示的分法。

如果在机器较少的情况下，可以适当缩短机器id的长度，留出来给序列号。

当然，snowflake的算法将会面临两个挑战：

① 机器id的指定。这个问题在分布式的环境下会比较突出，通常的解决方案是利用Redis或者Zookeeper进行机器注册，确保注册上去的机器id是唯一的。为了解决

强依赖Redis或者Zookeeper的问题，可以将机器id写入本地文件系统。

② 机器id的生成规则。这个问题会有一些纠结，因为机器id的生成大致要满足三个条件：a. int类型(10bit)纯数字，b. 相对稳定，c. 与其他机器要有所区别。至于优雅美观，都是其次了。对于机器id的存储，可以使用HASH结构，KEY的规则是“application-name.port.ip”，其中ip是通过算法转换成了一段长整型的纯数字，VALUE则是机器id，

服务id，机房id，其中，可以通过服务id和机房id反推出机器id。

假设服务id(workerId)占8bit，机房id(rackId)占2bit，从1开始，workerId=00000001，rackId=01，machineId=00000000101

如果用Redis存储，其表现形式如下：

如果存储在文件中（建议properties文件），则文件名是sequence-client:8112:3232235742.properties，文件内容如下：

如果发号服务上线，直接按照“application-name.port.ip”的规则取其内容。

③ 时钟回拨。因为snowflake对系统时间是很依赖的，所以对于时钟的波动是很敏感的，尤其是时钟回拨，很有可能就会出现重复发号的情况。时钟回拨问题解决策略通常是直接拒绝发号，直到时钟正常，必要时进行告警。

三、程序设计

整个发号过程可以分成三个层次：

1、策略层(strategy layer)：这个层面决定的是发号方法/算法，涵盖了上述所讲的segment和snowflake两种方式，当然，用户也可以自己扩展实现其他发号策略。

最顶上定义Sequence实际上就是发号的结果。bizType是对发号业务场景的定义，比如订单号，用户ID，邀请好友的分享码。

发号策略的init接口是发号前的初始化工作，而generate接口就是调用发号器的主入口了。

当然，考虑到各种异常情况，加入了拒绝发号的处理器（SequenceRejectedHandler），默认实现只是记录日志，用户可根据需求去实现该处理器，然后用set方法设置发号策略的拒绝处理器。

2、插件层(plugin layer)：此处的插件可以理解是一种拦截器，贯穿SequenceStrategy的发号全周期。引入插件后，无疑是丰富了整个发号的操作过程，用户可以从中干预到发号的整个流程，以便达到其他的目的，比如：记录发号历史，统计发号速率，发号二次混淆等。

可以看出，插件被设计成『注册式』的，发号策略只有注册了相关插件之后，插件才能生效，

当然，一个插件能被多个发号策略所注册，一个发号策略也能同时注册多个插件，所以两者是多对多的关系，PluginManager的出现就是解决插件的注册管理问题。

从SequencePlugin的定义中可以发现，插件是有优先级（Order）的，通过getOrder()可以获得，在这套发号系统里，Order值越小，表示该插件越优先执行。此外，插件有三个重要的操作：

before，表示发号之前的处理。若返回了false，那么该插件后面的操作都失效了，否则继续执行发号流程。

after，表示发号之后的处理。

doException，表示插件发生异常的处理方法。

3、持久层(persistence layer)：这个层面指代的是上述所提的MongoDB部分，如果不需要持久化的支持，可以不实现此接口，那么整个发号器就变成纯内存管理的了。

PersistRepository定义了基本的CRUD方法，其中persistId可以理解成上述提到的BizType。

一切的持久化对象都是从PersistModel开始的，上图中的Segment、PersistDocument都是为了实现分段发号器而定义的。

四、总结

这篇文章详细阐述了分布式发号器系统的设计，旨在能做出一个可扩展，易维护的发号系统。业界比较知名的发号算法似乎也不多，整个发号系统不一定就按照笔者所做的设计，还是要立足于具体的业务需求。