生成随机 UUID 非阻塞

Posted 2023-02-19

【中文标题】生成随机 UUID 非阻塞

【英文标题】：Generate random UUID non blocking

【发布时间】：2020-05-22 14:04:22

【问题描述】：

通过使用 Blockhound io.projectreactor.tools blockhound-junit-platform，我发现 UUID.randomUUID 是一个阻塞调用，这对我们来说是个问题，因为我们使用的是 Spring Boot Webflux 2.2 版。 2.发布

是否有任何其他方法可以以非阻塞方式获取随机 uuid，或者是否有任何其他 java 库推荐用于非阻塞生成随机字符串。

blockhound 的堆栈跟踪：

java.lang.Error: Blocking call! java.io.FileInputStream#readBytes
at reactor.blockhound.BlockHound$Builder.lambda$new$0(BlockHound.java:196) ~[blockhound-1.0.1.RELEASE.jar:na]
Suppressed: reactor.core.publisher.FluxOnAssembly$OnAssemblyException: 
Error has been observed at the following site(s):
|_ checkpoint ⇢ org.springframework.boot.actuate.metrics.web.reactive.server.MetricsWebFilter [DefaultWebFilterChain][ExceptionHandlingWebHandler]
Stack trace:
    at reactor.blockhound.BlockHound$Builder.lambda$new$0(BlockHound.java:196) ~[blockhound-1.0.1.RELEASE.jar:na]
    at reactor.blockhound.BlockHound$Builder.lambda$install$6(BlockHound.java:318) ~[blockhound-1.0.1.RELEASE.jar:na]
    at reactor.blockhound.BlockHoundRuntime.checkBlocking(BlockHoundRuntime.java:46) ~[na:na]
    at java.base/java.io.FileInputStream.readBytes(FileInputStream.java) ~[na:na]
    at java.base/java.io.FileInputStream.read(FileInputStream.java:279) ~[na:na]
    at java.base/java.io.FilterInputStream.read(FilterInputStream.java:133) ~[na:na]
    at java.base/sun.security.provider.NativePRNG$RandomIO.readFully(NativePRNG.java:424) ~[na:na]
    at java.base/sun.security.provider.NativePRNG$RandomIO.ensureBufferValid(NativePRNG.java:526) ~[na:na]
    at java.base/sun.security.provider.NativePRNG$RandomIO.implNextBytes(NativePRNG.java:545) ~[na:na]
    at java.base/sun.security.provider.NativePRNG.engineNextBytes(NativePRNG.java:220) ~[na:na]
    at java.base/java.security.SecureRandom.nextBytes(SecureRandom.java:741) ~[na:na]
    at java.base/java.util.UUID.randomUUID(UUID.java:150) ~[na:na]

【问题讨论】：

这真的有问题吗？从操作系统随机数源获取足够的随机字节曾经是旧 Linux 版本的问题，但现在应该很快了。也许这只会在您第一次生成 UUID 时发生？

查看此主题以讨论为什么默认熵源可能很慢以及如何选择不同的源：***.com/questions/137212/…

如果你确实遇到了缓慢并且不想阻塞你的“反应”线程，你可以在一个专用的工作池上生成所有 UUID，就像你对其他阻塞的事情一样。但这似乎有点矫枉过正。

这没有问题（除非播种 SecureRandom 真的很慢）。类加载也是阻塞的。不要落入过早的“优化”陷阱，而是专注于可证明的性能问题。

您应该查看第一条评论，了解为什么通话需要这么多时间。但通常要包装同步阻塞调用 Mono.fromCallable(UUID::randomUUID).subscribeOn(Schedulers.boundedElastic())

【参考方案1】：

这是关于如何使用uuid-creator 减少 Linux 上的线程争用的三个示例的列表。

另一个示例使用ulid-creator 生成Monotonic ULIDs，然后将它们转换为RFC-4122 UUID（标准）。单调 ULID 生成非常快。

基准代码可在GitHub Gist 上获得。

示例 1：使用 UuidCreator 和 SHA1PRNG

如何设置SHA1PRNG 算法供UuidCreator 使用：

# Append to /etc/environment or ~/.profile
# Use the the algorithm SHA1PRNG for SecureRandom
export UUIDCREATOR_SECURERANDOM="SHA1PRNG"

// generate a random-based UUID
UUID uuid = UuidCreator.getRandomBased();

UuidCreator 使用SecureRandom 的固定池。变量UUIDCREATOR_SECURERANDOM 告诉UuidCreator 使用另一个SecureRandom 算法，而不是Linux 上的NativePRNG。 UuidCreator 和 SHA1PRNG 算法生成的 UUID 比 UUID.randomUUID() 更少的线程争用（更少阻塞）。

查看使用 4 个线程的基准：

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Benchmark                      Mode  Cnt      Score     Error   Units
----------------------------------------------------------------------
UUID.randomUUID()             thrpt    5   1423,060 ±  30,125  ops/ms
UuidCreator.getRandomBased()  thrpt    5  10616,016 ± 281,486  ops/ms
----------------------------------------------------------------------

示例 2：使用ThreadLocalRandom

如何使用ThreadLocalRandom实现UUID生成器：

public class UuidGenerator 

    private static final RandomBasedFactory UUID_FACTORY;

    static 
        UUID_FACTORY = new RandomBasedFactory((int length) -> 
            final byte[] bytes = new byte[length];
            ThreadLocalRandom.current().nextBytes(bytes);
            return bytes;
        );
    

    public static UUID generate() 
        return UUID_FACTORY.create();
    

ThreadLocalRandom 是一个快速（且不安全）的随机生成器，没有线程争用（非阻塞）。

查看使用 4 个线程的基准：

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Benchmark                     Mode  Cnt      Score      Error   Units
----------------------------------------------------------------------
UUID.randomUUID()            thrpt    5   1423,060 ±   30,125  ops/ms
UuidGenerator.generate()     thrpt    5  85390,979 ± 1564,589  ops/ms
----------------------------------------------------------------------

示例 3：使用 RandomBasedFactory[] 和 SHA1PRNG

如何使用RandomBasedFactory和SHA1PRNG算法的ana数组实现UUID生成器：

    public static class UuidGenerator 

        private static final int SIZE = 8; // you choose
        private static final RandomBasedFactory[] FACTORIES;

        static 
            FACTORIES = new RandomBasedFactory[SIZE];
            try 
                for (int i = 0; i < FACTORIES.length; i++) 
                    // SHA1PRNG or DRBG can be used to reduce thread contention.
                    SecureRandom argument = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
                    FACTORIES[i] = new RandomBasedFactory(argument);
                
             catch (NoSuchAlgorithmException e) 
                // oops!
            
        

        public static UUID generate() 
            // calculate the factory index given the current thread ID
            final int index = (int) Thread.currentThread().getId() % SIZE;
            return FACTORIES[index].create();
        
    

RandomBasedFactory 和 SHA1PRNG 算法的数组可以生成具有较少线程争用（较少阻塞）的 UUID。

查看使用 4 个线程的基准：

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Benchmark                     Mode  Cnt      Score      Error   Units
----------------------------------------------------------------------
UUID.randomUUID()            thrpt    5   1423,060 ±   30,125  ops/ms
UuidGenerator.generate()     thrpt    5  10048,747 ±  195,209  ops/ms
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示例 4：使用 UlidCreator 和 Monotonic ULIDs

如何使用ulid-creator从Monotonic ULIDs生成RFC-4122 UUID：

// create a Monotonic ULID and convert it to RFC-4122 UUID v4
UUID uuid = UlidCreator.getMonotonicUlid().toRfc4122().toUuid();

查看使用 4 个线程的基准：

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Benchmark                       Mode  Cnt     Score      Error   Units
-----------------------------------------------------------------------
UUID.randomUUID()              thrpt    5  1423,060 ±   30,125  ops/ms
UlidCreator.getMonotonicUlid() thrpt    5  7391,917 ±  871,799  ops/ms
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编辑：添加了第 4 个使用单调 ULID 的示例。