通过Zookeeper学习在分布式系统中生成全局唯一ID

Posted 2020-09-10

Session是Zookeeper中的会话实体，代表了一个客户端会话。SessionID用来唯一标识一个会话，因此Zookeeper必须保证sessionID的全局唯一性，在每次客户端向服务端发起"会话创建"请求时，服务端都会为其分配一个sessionID。那么Zookeeper是如何实现的呢？

在SessionTracker初始化的时候，会调用initializeNextSession方法来生成一个初始化的sessionID，之后在Zookeeper的正常运行过程中，会在该sessionID的基础上为每个会话进行分配。

Java代码  

1. /** 

2.     * Generates an initial sessionId. High order byte is serverId, next 5 

3.     * 5 bytes are from timestamp, and low order 2 bytes are 0s. 

4.     */  

5.    public static long initializeNextSession(long id) {  

6.      long nextSid = 0;  

7.        nextSid = (System.currentTimeMillis() << 24) >>> 8; //这里的版本是3.4.6  

8.        nextSid =  nextSid | (id <<56);  

9.        return nextSid;  

10.    }  

 

上面这个方法就是Zookeeper初始化的算法。可以看出sessionID的生成可以分为以下5个步骤：

1. 获取当前时间的毫秒表示。我们假设System.currentTimeMillis()取出的值是1380895182327，其64位二进制表示是：0000000000000000000000010100000110000011110001000100110111110111 其中红色部分表示高24位，下划线部分表示低40位。

2. 左移24位。将步骤1中的数值左移24位，得到如下二进制表示的数值：0100000110000011110001000100110111110111000000000000000000000000

3. 无符号右移8位。再将步骤2中的数值无符号右移8位，得到如下二进制表示的数值：0000000001000001100000111100010001001101111101110000000000000000

4. 添加机器标识SID.在initializeNextSession方法中，出现了一个id变量，该变量就是当前Zookeeper服务器的SID值.SID就是当时配置在myid文件中的值，该值通常是一个整数。我们以2为例子。2的64位表示如下：0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000010。高56位都是0，将其左移56位，可以得到如下二进制表示的数值：0000001000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

5. 将步骤3和步骤4得到的64位数值进行“|”操作：0000001001000001100000111100010001001101111101110000000000000000。这样就完成了一个sessioID的初始化。我们就可以得到一个单机唯一的序列号。算法概括为：高8位确定了所在机器，后56位使用当前时间的毫秒表示进行随机。

上面的算法就算完美吗？

答案是否定的，在zookeeper3.5.0以上的版本中对这个方法进行的修改。3.5.0版本的方法如下：

Java代码  

1. /** 

2.     * Generates an initial sessionId. High order byte is serverId, next 5 

3.     * 5 bytes are from timestamp, and low order 2 bytes are 0s. 

4.     */  

5.    public static long initializeNextSession(long id) {  

6.        long nextSid;  

7.        nextSid = (<span style="color: #ff0000;">Time.currentElapsedTime()</span> << 24) >>> 8;  

8.        nextSid =  nextSid | (id <<56);  

9.        return nextSid;  

10.    }  

 

currentTimeMillis方法换成了另外一个方法。那么这个方法是什么呢？

Java代码  

1. /** 

2.      * Returns time in milliseconds as does System.currentTimeMillis(), 

3.      * but uses elapsed time from an arbitrary epoch more like System.nanoTime(). 

4.      * The difference is that if somebody changes the system clock, 

5.      * Time.currentElapsedTime will change but nanoTime won‘t. On the other hand, 

6.      * all of ZK assumes that time is measured in milliseconds. 

7.      * @return  The time in milliseconds from some arbitrary point in time. 

8.      */  

9.     public static long currentElapsedTime() {  

10.         return System.nanoTime() / 1000000;  

11.     }  

 使用了System.nanoTime()方法。原因是如果一些人去主动修改系统的时间，这样可能会出现问题。

 

 

Zookeeper使用了2行代码完成了生成全局唯一值的方法。然而我们直接使用jdk1.5以上自带的UUID不是也能生成全局唯一的值吗？

下面我们看看UUID和Zookeeper自己实现方法的一些比较：

• 根据UUID类的注释，A UUID represents a 128-bit value.一个UUID代表一个128位的值。然而Zookeeper使用64就产生了一个全局唯一的值。从资源占用上节省了一半。

• 从代码复杂程度上看，UUID的生成是严格按照国际标准实现的。算法的核心思想是结合机器的网卡、当地时间、一个随即数来生成。代码的复杂程度要比Zookeeper自身实现的高。复杂度高意味着在执行过程中需要消耗的资源就会增多。

• UUID的生成不需要外界因素的参与。直观的将就是不需要传递任何参数就可以完成。而Zookeeper自身实现的方法需要一个id，这个id就是我们在Zookeeper中配置的myid值。它的生成时需要条件的。

总结：

• 没有最好只有适合。适合自身的需要并且能够考虑到性能、资源的使用等方面才能设计出好的策略。

• 底层的运算使用位运算比较理想。很多地方都是这样运用的。毕竟位运算的速度是最快的。

源码来源：minglisoft.cn/technology