美团Leaf snowflake模式详解

 

雪花算法概述

雪花算法简单来说是这样一个长整形数值。它64位，8个字节，刚好一个long。（为什么雪花算法ID是64位？ 大概也是这个原因吧。理论上当然可以使用更多位，但是其实不是很有必要）

 

雪花算法，在单个节点上是有序的，如同 号段模式，但它也不是 全局严格有序，而是单个节点严格递增。

 

雪花算法的问题

1 因为雪花算法 依赖于本地时钟。所以存在时钟回拨问题。那么，如何避免时钟回拨？

2 雪花算法实现起来不复杂。但是问题是分布式场景之下，当需要启动的leaf服务越来越多时，对其分配workerId是一件非常令人头疼的事情。我们要做的是，尽量让一件事情简单化，让用户无感知。百度的UID做到了（文末有相关阅读链接），leaf也做到了！

美团Leaf snowflake模式原理

leaf的Snowflake模式是怎么做到的呢？很简单，通过zookeeper的PERSISTENT_SEQUENTIAL类型节点为每一个leaf实例生成一个递增的workerId。以总计部署4个leaf实例为例：第1个leaf实例的workerId为0，且根据该实例的IP地址和配置的Port值，即使接下来重启，workerId仍然为0；第2个leaf实例的workerId为1；第3个leaf实例的workerId为2；第4个leaf实例的workerId为3，以此类推。leaf持久化在zookeeper中的数据如下所示：

1. /snowflake/afei/forever/
2. |--192.168.0.1--0
3. |--192.168.0.2--1
4. |--192.168.0.3--2

我们可以看到这些数据的路径是：/snowflake/${leaf.name}/forever/${ip}:${port}。如此一来，对于所有部署的leaf实例，其获取到的workerId只跟它的ip和port有关。当然，由于其workerId占10位，所以，理论上Leaf服务实例数可以达到1024个（很明显，这个实例数上限几乎能够满足任何业务场景）。

 

实际情况， 默认会增加 - 00000 这样的 序号。

 

 

美团Leaf snowflake的使用&配置

默认的配置是：

leaf.name=com.sankuai.leaf.opensource.test

leaf.snowflake.zk.address=localhost

leaf.snowflake.port=2181

 

说明：

leaf.snowflake.zk.address 确实是将要连接的zk的地址列表，形如192.168.56.1:2181;192.168.56.2:2181，它可以是localhost，这个时候leaf实际上连接zk使用的是2181；

 

需要注意的是上面leaf.snowflake.port为2181， 会让人产生误解。因为它并不是zk的端口，仅仅是用来标志当前leaf节点。用来拼接在节点名称， 所以超过65536 也不会做检查，它不管它是什么具体值（但需要是整数）.. 实际上， 我们可以把它设置为web的端口，这样就会出现冲突。

 

/**
 * @param zkAddress zk地址
 * @param port      snowflake监听端口
 * @param twepoch   起始的时间戳
 */
public SnowflakeIDGenImpl(String zkAddress, int port, long twepoch) {
    this.twepoch = twepoch;
    Preconditions.checkArgument(timeGen() > twepoch, "Snowflake not support twepoch gt currentTime");
    final String ip = Utils.getIp(); // 实际将创建的节点的ip， 使用这个
    SnowflakeZookeeperHolder holder = new SnowflakeZookeeperHolder(ip, String.valueOf(port), zkAddress);

如上，实际将创建的节点的ip， 使用的是本机ip，然后拼接上面的leaf.snowflake.port端口，创建的节点是PERSISTENT_SEQUENTIAL类型节点，从名字上看，它会持久化，然后又是有序的（从父节点的角度来看，它是有序的。它会从0每次增加1，节点可以有自己的名字，但是zk会主动给节点添加一个序号的后缀，长度是10，类型是10进制）。所以它会一直保存在zk之上，也就是说zk因为异常等原因重启之后，它依然存在，不会丢失。节点的内容是json，包括ip，port，时间戳timestamp；其中timestamp 是每3s更新一次。（点击黄色的刷新按钮，可以看到timestamp字段的变化）

  

leaf.name 配置项是做什么用的呢？ 是用来确定将创建的zk节点的路径，上图因为没有配置 leaf.name 所以 展现是null！虽然是null，不过好像也没有什么关系，不影响程序正常运行。不过，一般情况下，对于一个分布式id，我们所有的leaf客户端，需要设置为相同的leaf.name，这样，workerID才会有序递增，才不会出现冲突！ 如果不同业务含义的分布式id，自然需要不同的leaf.name； 所以，可以理解为leaf.name是分布式id 的名字。注意到leaf.name 对于号段模式是没有用的！！

  

因为将创建的zk节点使用的ip固定是本地ip，如果一个集群上部署两个leaf呢？那leaf会重复利用那个节点，而不会新创建。就是说如果不改配置，一个机器只能部署一个相同的微服务。如果想两个相同的微服务呢？那只能部署到不同的机器上去。 当然，对于不同的微服务，肯定需要不同leaf的配置，不然也不合理。那就只能修改 leaf.name 或leaf.snowflake.port； leaf会在本地创建缓存文件，名为workerID.properties，内容非常简单，就是使用给雪花算法使用的workerID。

 

这样下次重启leaf，即使zk连接不上，也能够正常运行。不过，就是后台会一直打印错误，有点烦人：

2021-05-01 14:43:35.450 INFO 13384 --- [.168.56.1:2181)] org.apache.zookeeper.ClientCnxn : Opening socket connection to server 192.168.56.1/192.168.56.1:2181. Will not attempt to authenticate using SASL (unknown error) 2021-05-01 14:43:37.452 WARN 13384 --- [.168.56.1:2181)] org.apache.zookeeper.ClientCnxn : Session 0x0 for server null, unexpected error, closing socket connection and attempting reconnect java.net.ConnectException: Connection refused: no further information at sun.nio.ch.SocketChannelImpl.checkConnect(Native Method) ~[na:1.8.0_231] at sun.nio.ch.SocketChannelImpl.finishConnect(SocketChannelImpl.java:717) ~[na:1.8.0_231] at org.apache.zookeeper.ClientCnxnSocketNIO.doTransport(ClientCnxnSocketNIO.java:361) ~[zookeeper-3.4.6.jar:3.4.6-1569965] at org.apache.zookeeper.ClientCnxn$SendThread.run(ClientCnxn.java:1081) ~[zookeeper-3.4.6.jar:3.4.6-1569965]

  

当然，首次还是需要连zk的。另外，如果修改了leaf的配置，即leaf.properties ，那么会在zk上创建新节点；而之间创建的节点依然会留下来。

 

实际情况如何部署？

如同美团Leaf 号段模式，leaf-server 是可选的，我们只要创建自己的SnowflakeIDGenImpl实现的IDGen就可以了，然后当然要注意配置，要保证每个微服务实例使用相同leaf.name，然后要都能有各自的zk节点即可。任何两个实例不能使用相同zk节点，相同则可能出现重复id！

 

美团Leaf snowflake的测试

leaf-sever提供了rest 获取id 接口：

http://localhost:8010/api/snowflake/get/key

( 对于雪花算法，这里的key是没有作用的)

结果是： 1388377407299268680

 

多次刷新，可见这个值不断增长，也就是满足单调递增。

 

另外decodeSnowflakeId 接口提供了解码雪花算法id 的功能：

http://localhost:8010/decodeSnowflakeId?snowflakeId=1388377012309078107

结果是：

{"workerId":"3","sequenceId":"91","timestamp":"1619849849189(2021-05-01 14:17:29.189)"}

 

sequenceId 是什么？ 是id在当前毫秒内的 序列！它有12个bit，所以 一个毫秒内最多可以产生 4096个id 哦！但是因为美团leaf对id 起始值做了优化，

sequence = RANDOM.nextInt(100);

它是100内随机的。

 

然后在不同的微服务实例上测试 /api/snowflake/get/key 接口，然后解析，发现是不同的workerId， 满足分布式id 要求！

  

美团Leaf snowflake与时钟回拨问题

时钟回拨的原因在于 获取雪花算法id 的时候，会去获取本地时间。这个本地时间是可能被 有意无意修改，如果修改为过去的时间，就会可能导致id重复的问题，也就是回拨问题！

 

Segment模式有时钟回拨问题吗？很明显没有，因为通过这种模式获取的ID没有任何时间属性，所以不存在时钟回拨问题。美团Leaf-snowflake方案 是怎么解决这个问题的呢？我能够猜到的是，如果它通过zk来获取时间，那么就不会依赖本地时间了！进而解决问题！

 

然后，通过过程源码发现，并没有实现。 可能是这个时钟回拨并不是很严重的问题吧！leaf的Snowflake模式并没有彻底解决时钟回拨的问题。当运行过程中，如果时钟回拨超过5ms （ 准确说是两次get 方法之间的回拨），依然会抛出异常。那么，Snowflake模式主要解决什么问题？很明显，是snowflake中的workerId部分。最后，leaf会定期（间隔周期是3秒）上报更新timestamp。并且上报时，如果发现当前时间戳少于最后一次上报的时间戳，那么会放弃上报。之所以这么做的原因是，防止在leaf实例重启过程中，由于时钟回拨导致可能产生重复ID的问题。

 

也就是说，运行时，leaf允许最多5ms 的回拨；重启时，允许最多3s 的回拨！

 

我们看源码：

sequence = RANDOM.nextInt(100); 避免了 每次 容易获取到的为 0 的问题。

 

它是怎么引起的？ 手动修改时间？ 我们的多个 linux机器上的时间不一致。。

 

—— 谁会这么无趣的去修改时间呢？ 一般情况我们的linux机器上的时间还是可以保持一致的吧。所以，时钟回拨 不是大问题， 而且到这个程度， 也已经差不多了！

 

全局有序问题！

美团Leaf-snowflake方案能够全局有序吗？ 不能。 实际什么，任何算法都不能保证全局有序，除非 单点，集中部署；

是否有任何办法保证全局有序递增？ 我们把节点id 字段设置为相同，是否可以？ 不可以啊.. 因为可能出现相同id 的情况。那么改进一下， 使得每个节点的步长一致，然后起始值不同，如同 数据库的主主模式， 好像也可以避免id 重复！ （这样做比较麻烦，但是 其实如果不在意是否全局有序，可以忽略这步..）

那么号段模式，是否可以也保证全局有序？ 无法！ 因为每个客户端会获取新的号段！号段之间是并发的！