基于Go实现的分布式主键系统

摘要

随着互联网的发展，微服务得到了快速的发展，在微服务架构下，分布式主键开始变得越来越重要。目前分布式主键的实现方式颇多，有基于数据库自增的、基于UUID的、基于Redis自增的、基于数据库号段的。与此同时，越来越多的公司开始普及使用雪花算法，但是在使用的过程中，发现了雪花算法的一些问题：其一、雪花算法存在时间回拨问题；其二、雪花算法存在重复问题；其三、雪花算法不能覆盖所有的使用场景。基于现有的问题，本文开发了分布式主键系统，该系统可以解决以上问题。

1 各分布式主键介绍

1.1 雪花算法

在当前，最受欢迎的分布式主键生成算法是雪花算法，该算法由64位二进制数组成，如下图所示，它通过组合不同的二进制位来生成唯一的主键。
雪花算法组成结构图
雪花算法生成64位的唯一ID，其中包括一个固定的符号位，41位时间戳（毫秒级），10位机器标识，以及12位序列号。这保证了ID的递增性和分布式环境下的无冲突性。然而，算法的局限性在于最多支持1024个节点，且时钟回拨可能造成ID重复，这些问题在大型分布式系统中尤为突出。因此，有需求去优化现有的算法，以适应更多节点并解决时钟同步和机器标识分配问题。

1.2 基于Redis的分布式主键

Redis的命令是单线程执行的，因此可以多个服务调用递增命令而不会产生重复主键的问题，通过这种方式，程序可以确保系统在分布式环境中生成全局唯一且连续的主键。

1.3 基于MySQL的分布式主键

采用MySQL数据库的号段模式可以满足生成主键的唯一性需求，该模式将数据段分配给特定节点，其他节点无法使用，因此，号段模式能够保证数据的唯一性，实现分布式环境下的主键生成。

1.4 基于新雪花算法的分布式主键

为克服雪花算法的时间回拨和机器号重复问题，新设计的分布式主键算法依然保持64位结构，但布局调整为：最高位废弃，47位用于自增确保递增性，后面16位分为两部分各8位，用于生成随机数以增加随机性。此设计放弃了机器标识，47位自增数字通过Redis或Etcd等中间件实现，并在本地缓存，确保全局唯一且提升系统稳定性与性能。
改进雪花算法结构图
这种设计考虑了分布式环境的因素，因为在多台机器同时部署的情况下，可以借助第三方组件构建分布式系统，本文采用了与Redis的结合方式，并利用本地缓存，极大地提高了主键的生成速率。

2 分布式主键系统

2.1 涉及技术

HTTP服务端、GRPC、Protobuf、Redis操作、MySQL操作、分布式ID算法、多租户、Etcd操作

2.2 如何快速跑起来

2.2.1 配置相关

位置	内容
/conf/db/ddl.sql	SQL脚本
/etc/*.yml	配置文件

2.2.2 项目入口

位置	内容
/guid.go	项目启动入口
/server/server.go	服务入口
/server/gin_server.go	gin服务入口
/service/impl/db_serviceImpl.go	数据库分布式主键实现
/service/impl/redis_serviceImpl.go	redis分布式主键实现
/service/impl/snow_serviceImpl.go	雪花算法分布式主键实现
/service/impl/new_show_serviceimpl.go	基于新雪花算法分布式主键实现

2.2.3 操作步骤

从gitlab拉下来项目

goland打开项目主目录进入terminal

执行 go mod tidy

执行 go mod vendor

安装mysql，执行ddl

安装redis和etcd

执行go run guid.go

2.3 项目设计

2.3.1 总体设计

全局唯一键，主流的实现方式有四种：

1，基于数据库的号段模式；

2，基于redis的自增模式；

3，基于雪花算法的实现模式；

4，基于新雪花算法的实现模式；

本项目实现四种方式的全局唯一键，支持集群化部署，可扩展性高

想使用某种唯一键，只需要指定类型就行，唯一键按租户和应用维度隔离

2.3.2详细设计

类图
grpc设计

syntax = "proto3";

option go_package = "gitee.com/liyouqing/guid/pb/guid;guid";

message Req{
  string namespace = 1;   // 命名空间
  TYPE type = 2;          // key的类别
  enum TYPE{              // 主键类型
    SNOW = 0;
    REDIS = 1;
    DB = 2;
    NEWSHOW = 3;
  }
}

message Res{
  bool  flag =1 ;    //成功失败标志
  string key = 2;    //返回的全局id实体
}


service PbGuid{
  rpc GetKey(Req) returns (Res);
}

释义：

使用protobuf 定义两个message 一个请求，一个返回

使用grpc定义了一个服务，服务的中有一个方法，使用上述定义的请求和返回作为入参和出参

2.3.3 rpc远程调用

go项目需要该功能时，需要拿到该proto的文件

然后，通过命令生成相关结构体和grpc调用相关的东西

然后参考

/server/server_client_test.go

2.3.4 gin服务 restapi调用

通过 gin服务添加http查询接口

url localhost:8080/gitee.com/liyouqing/guid/get-key?namespace=nihao&type=2 请求方式 Get

请求参数 type 0：雪花算法 1：redis分布式 2：数据库号段 3：新雪花算法

返回数据

{
    "status":0,
    "msg":"success",
    "data": "70001"
}

3 对比试验结果

算法	耗时（十万条）	速度	重复次数	随机性	自增趋势
雪花算法	12.47秒	快	3	有	有
优化的雪花算法	12.46秒	快	0	有	有
基于Redis的主键生成算法	21.50秒	慢	0	无	有
基于MySQL的主键生成算法	11.86秒	快	0	无	有
新雪花算法	12.22秒	快	0	有	有