IM消息ID技术专题(六)：深度解密滴滴的高性能ID生成器(Tinyid)

1、引言

在中大型IM系统中，聊天消息的唯一ID生成策略是个很重要的技术点。不夸张的说，聊天消息ID贯穿了整个聊天生命周期的几乎每一个算法、逻辑和过程，ID生成策略的好坏有可能直接决定系统在某些技术点上的设计难易度。

有中小型IM场景下，消息ID可以简单处理，反正只要唯一就行，而中大型场景下，因为要考虑到分布式的性能、一致性等，所以要考虑的问题点又是另一回事。

总之就是，IM的消息ID生成这件事，可深可浅，看似简单但实际可探索的边界可以很大，这也是为什么即时通讯网为此专门整理了《IM消息ID技术专题》系列文章的原因。做技术所谓厚积薄发，了解的越多，你的技术可操作空间也就越大，希望随着这个系列文章的阅读，可以为你在ID生成这一块的技术选型带来更多有益的启发。

另外，因为即时通讯网主要关注的是即时通讯方面的系统开发，但并不意味着这个系统文章只适用于IM或消息推送等实时通信系统，它同样适用于其它需要唯一ID的应用中。

本文将要分享的是滴滴开源的分布式ID生成器Tinyid的技术原理、使用方法等等，希望能进一步为你打开这方面的技术视野。

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2、专题目录

本文是“IM消息ID技术专题”系列文章的第6篇，专题总目录如下：

• 《IM消息ID技术专题(一)：微信的海量IM聊天消息序列号生成实践（算法原理篇）》
• 《IM消息ID技术专题(二)：微信的海量IM聊天消息序列号生成实践（容灾方案篇）》
• 《IM消息ID技术专题(三)：解密融云IM产品的聊天消息ID生成策略》
• 《IM消息ID技术专题(四)：深度解密美团的分布式ID生成算法》
• 《IM消息ID技术专题(五)：开源分布式ID生成器UidGenerator的技术实现》
• 《IM消息ID技术专题(六)：深度解密滴滴的高性能ID生成器(Tinyid)》（* 本文）
• 《IM消息ID技术专题(七)：深度解密vivo的自研分布式ID服务(鲁班)》
  

3、什么是Tinyid？

Tinyid是滴滴用Java开发的一款分布式id生成系统，基于数据库号段算法实现。

Tinyid是在美团的ID生成算法Leaf的基础上扩展而来，支持数据库多主节点模式，它提供了REST API和Java客户端两种获取方式，相对来说使用更方便。不过，和美团的Leaf算法不同的是，Tinyid只支持号段一种模式（并不支持Snowflake模式）。（有关美团的Leaf算法，可以详读《IM消息ID技术专题(四)：深度解密美团的分布式ID生成算法》）

Tinyid目前在滴滴客服部门使用，且通过tinyid-client方式接入，每天生成的是亿级别的id。性能上，据称单实例能达到1千万QPS。

它的开源地址是：

• 主地址：https://github.com/didi/tinyid
• 备地址：https://github.com/52im/tinyid
  

PS：滴滴在Tinyid工程页面写了一句话，“tinyid，并不是滴滴官方产品，只是滴滴拥有的代码”，我语文不好，这句该怎么理解呢？

4、Tinyid的主要技术特性

主要特性总结一下就是：

• 1）全局唯一的long型ID：即id极限数量是2的64次方；
• 2）趋势递增的id：趋势递增的意思是，id是递增但不一定是连续的（这跟微信的ID生成策略类似）；
• 3）提供 http 和 java-client 方式接入；
• 4）支持批量获取ID；
• 5）支持生成1,3,5,7,9…序列的ID；
• 6）支持多个db的配置。
  

适用的场景：只关心ID是数字，趋势递增的系统，可以容忍ID不连续，可以容忍ID的浪费。
不适用场景：像类似于订单ID的业务，因生成的ID大部分是连续的，容易被扫库、或者推算出订单量等信息。

另外：微信的聊天消息ID生成算法也是基于号段、趋势递增这种逻辑，如果有兴趣，可以详见：《IM消息ID技术专题(一)：微信的海量IM聊天消息序列号生成实践（算法原理篇）》。

5、Tinyid的技术优势

性能方面：

• 1）http方式：访问性能取决于http server的能力，网络传输速度；
• 2）java-client方式：id为本地生成，号段长度(step)越长，qps越大，如果将号段设置足够大，则qps可达1000w+。
  

可用性方面：

• 1）当db不可用时，因为server有缓存，所以还可以使用一段时间；
• 2）如果配置了多个db，则只要有1个db存活，则服务可用；
• 3）使用tiny-client时，只要server有一台存活，则理论上server全挂，因为client有缓存，也可以继续使用一段时间。
  

6、Tinyid的技术原理详解

6.1ID生成系统的技术要点

在简单系统中，我们常常使用db的id自增方式来标识和保存数据，随着系统的复杂，数据的增多，分库分表成为了常见的方案，db自增已无法满足要求。

这时候全局唯一的id生成系统就派上了用场，当然这只是id生成其中的一种应用场景。

那么，一个成熟的id生成系统应该具备哪些能力呢？

• 1）唯一性：无论怎样都不能重复，id全局唯一是最基本的要求；
• 2）高性能：基础服务尽可能耗时少，如果能够本地生成最好；
• 3）高可用：虽说很难实现100%的可用性，但是也要无限接近于100%的可用性；
• 4）易用性：能够拿来即用，接入方便，同时在系统设计和实现上要尽可能的简单。
  

6.2Tinyid的实现原理

我们先来看一下最常见的id生成方式，db的auto_increment，相信大家都非常熟悉。

我也见过一些同学在实战中使用这种方案来获取一个id，这个方案的优点是简单，缺点是每次只能向db获取一个id，性能比较差，对db访问比较频繁，db的压力会比较大。

那么，是不是可以对这种方案优化一下呢？可否一次向db获取一批id呢？答案当然是可以的。

一批id，我们可以看成是一个id范围，例如(1000,2000]，这个1000到2000也可以称为一个“号段”，我们一次向db申请一个号段，加载到内存中，然后采用自增的方式来生成id，这个号段用完后，再次向db申请一个新的号段，这样对db的压力就减轻了很多，同时内存中直接生成id，性能则提高了很多。

PS：简单解释一下什么是号段模式：

号段模式就是从数据库批量的获取自增ID，每次从数据库取出一个号段范围，例如 (1,1000] 代表1000个ID，业务服务将号段在本地生成1~1000的自增ID并加载到内存。

那么保存db号段的表该怎设计呢？我们继续往下看。

6.3DB号段算法描述

如上表，我们很容易想到的是db直接存储一个范围(start_id,end_id]，当这批id使用完毕后，我们做一次update操作，update start_id=2000(end_id), end_id=3000(end_id+1000)，update成功了，则说明获取到了下一个id范围。仔细想想，实际上start_id并没有起什么作用，新的号段总是(end_id,end_id+1000]。

所以这里我们更改一下，db设计应该是这样的：


如上表所示：

• 1）我们增加了biz_type，这个代表业务类型，不同的业务的id隔离；
• 2）max_id则是上面的end_id了，代表当前最大的可用id；
• 3）step代表号段的长度，可以根据每个业务的qps来设置一个合理的长度；
• 4）version是一个乐观锁，每次更新都加上version，能够保证并发更新的正确性 。
  

那么我们可以通过如下几个步骤来获取一个可用的号段：

• A、查询当前的max_id信息：select id, biz_type, max_id, step, version from tiny_id_info where biz_type='test';
• B、计算新的max_id: new_max_id = max_id + step；
• C、更新DB中的max_id：update tiny_id_info set max_id=#{new_max_id} , verison=version+1 where id=#{id} and max_id=#{max_id} and version=#{version}；
• D、如果更新成功，则可用号段获取成功，新的可用号段为(max_id, new_max_id]；
• E、如果更新失败，则号段可能被其他线程获取，回到步骤A，进行重试。
  

6.4号段生成方案的简单架构

如上述内容，我们已经完成了号段生成逻辑。

那么我们的id生成服务架构可能是这样的：


如上图，id生成系统向外提供http服务，请求经过我们的负载均衡router，到达其中一台tinyid-server，从事先加载好的号段中获取一个id。

如果号段还没有加载，或者已经用完，则向db再申请一个新的可用号段，多台server之间因为号段生成算法的原子性，而保证每台server上的可用号段不重，从而使id生成不重。 

可以看到：

• 1）如果tinyid-server如果重启了，那么号段就作废了，会浪费一部分id；
• 2）同时id也不会连续；
• 3）每次请求可能会打到不同的机器上，id也不是单调递增的，而是趋势递增的（不过这对于大部分业务都是可接受的）。
  

6.5简单架构的问题

到此一个简单的id生成系统就完成了，那么是否还存在问题呢？

回想一下我们最开始的id生成系统要求：高性能、高可用、简单易用。

在上面这套架构里，至少还存在以下问题：

• 1）当id用完时需要访问db加载新的号段，db更新也可能存在version冲突，此时id生成耗时明显增加；
• 2）db是一个单点，虽然db可以建设主从等高可用架构，但始终是一个单点；
• 3）使用http方式获取一个id，存在网络开销，性能和可用性都不太好。
  

6.6优化办法及最终架构

1）双号段缓存：

对于号段用完需要访问db，我们很容易想到在号段用到一定程度的时候，就去异步加载下一个号段，保证内存中始终有可用号段，则可避免性能波动。

2）增加多db支持：

db只有一个master时，如果db不可用(down掉或者主从延迟比较大)，则获取号段不可用。实际上我们可以支持多个db，比如2个db，A和B，我们获取号段可以随机从其中一台上获取。那么如果A,B都获取到了同一号段，我们怎么保证生成的id不重呢？tinyid是这么做的，让A只生成偶数id，B只生产奇数id，对应的db设计增加了两个字段，如下所示



delta代表id每次的增量，remainder代表余数，例如可以将A，B都delta都设置2，remainder分别设置为0，1则，A的号段只生成偶数号段，B是奇数号段。通过delta和remainder两个字段我们可以根据使用方的需求灵活设计db个数，同时也可以为使用方提供只生产类似奇数的id序列。

3）增加tinyid-client：

使用http获取一个id，存在网络开销，是否可以本地生成id？

为此我们提供了tinyid-client，我们可以向tinyid-server发送请求来获取可用号段，之后在本地构建双号段、id生成，如此id生成则变成纯本地操作，性能大大提升，因为本地有双号段缓存，则可以容忍tinyid-server一段时间的down掉，可用性也有了比较大的提升。

4）tinyid最终架构：

最终我们的架构可能是这样的：


下面是更具体的代码调用逻辑：


如上图所示，下面是关于这个代码调用逻辑图的说明：

• 1）nextId和getNextSegmentId是tinyid-server对外提供的两个http接口；
• 2）nextId是获取下一个id，当调用nextId时，会传入bizType，每个bizType的id数据是隔离的，生成id会使用该bizType类型生成的IdGenerator；
• 3）getNextSegmentId是获取下一个可用号段，tinyid-client会通过此接口来获取可用号段；
• 4）IdGenerator是id生成的接口；
• 5）IdGeneratorFactory是生产具体IdGenerator的工厂，每个biz_type生成一个IdGenerator实例。通过工厂，我们可以随时在db中新增biz_type，而不用重启服务；
• 6）IdGeneratorFactory实际上有两个子类IdGeneratorFactoryServer和IdGeneratorFactoryClient，区别在于，getNextSegmentId的不同，一个是DbGet,一个是HttpGet；
• 7）CachedIdGenerator则是具体的id生成器对象，持有currentSegmentId和nextSegmentId对象，负责nextId的核心流程。nextId最终通过AtomicLong.andAndGet(delta)方法产生。
  

具体的代码实现，有兴趣可以直接阅读源码：

• 主地址：https://github.com/didi/tinyid
• 备地址：https://github.com/52im/tinyid
  

7、Tinyid的最佳实践

1）tinyid-server推荐部署到多个机房的多台机器：

• 多机房部署可用性更高，http方式访问需使用方考虑延迟问题。
  

2）推荐使用tinyid-client来获取id，好处如下：

• a、id为本地生成(调用AtomicLong.addAndGet方法)，性能大大增加；
• b、client对server访问变的低频，减轻了server的压力；
• c、因为低频，即便client使用方和server不在一个机房，也无须担心延迟；
• d、即便所有server挂掉，因为client预加载了号段，依然可以继续使用一段时间
  

注：使用tinyid-client方式，如果client机器较多频繁重启，可能会浪费较多的id，这时可以考虑使用http方式。

3）推荐db配置两个或更多：

• db配置多个时，只要有1个db存活，则服务可用 多db配置，如配置了两个db，则每次新增业务需在两个db中都写入相关数据。
  

8、Tinyid该怎么调用？

关于怎么调用。鉴于篇幅原因，就不再具体去写了，有兴趣的话，可以读一下这篇《Tinyid：滴滴开源千万级并发的分布式ID生成器》。

9、参考资料

[1] 面试总被问分布式ID怎么办？ 滴滴（Tinyid）甩给他
[2] Tinyid：滴滴开源千万级并发的分布式ID生成器
[3] tinyid工程中文readme
[4] 滴滴开源的Tinyid如何每天生成亿级别的ID？

附录：更多IM开发热门技术文章

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《移动端IM开发者必读(二)：史上最全移动弱网络优化方法总结》
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原来是这样啊

引用：weixiaoyao 发表于 2021-04-04 16:43
我想应该需要route来做路由，根据uid，gid之类，保证同一个user，group等的请求落到同一个server

路由层同一个biz_type转发到同一台节点就可以，但是依旧绕不开单点问题，所以感觉。。想要单调递增的id，只能堆单机性能了。

引用：JackJiang 发表于 2020-10-23 20:38
im中也不一定要严格递增，微信的id就是趋势递增，不是严格递增：《IM消息ID技术专题(一)：微信的海量IM聊 ...

消息序列号是严格递增的吧

如果是万人群的情况，属于这个群聊会话ID在一段时间之后即将溢出，还可以复用以前的号段吗?

引用：怎么能够 发表于 2021-01-26 11:33
a-server缓存1000，2000，b-server缓存2000，3000，第一次请求到b返回20001，后面请求可能到a返回1001，怎 ...

我想应该需要route来做路由，根据uid，gid之类，保证同一个user，group等的请求落到同一个server

引用：怎么能够 发表于 2021-01-26 11:33
a-server缓存1000，2000，b-server缓存2000，3000，第一次请求到b返回20001，后面请求可能到a返回1001，怎 ...

是有，有这种可能性，文章里没有提到这一点的处理办法

a-server缓存1000，2000，b-server缓存2000，3000，第一次请求到b返回20001，后面请求可能到a返回1001，怎么保证趋势递增的？

引用：eagle042 发表于 2020-10-25 11:10
不是的，比如sessionID 这类的，只需要唯一，甚至都不需要递增。微信文章里提到的 序列号，同步的时间戳 ...

你没理解我说的话，严格递增的意思是：1、2、3、4、5、6、7、8，不能有问隔的这种。
微信的趋势递增指的是：1、、3、5、7、8、10，中间有间隔无所谓，只要是递增就可以。

引用：JackJiang 发表于 2020-10-23 20:38
im中也不一定要严格递增，微信的id就是趋势递增，不是严格递增：《IM消息ID技术专题(一)：微信的海量IM聊 ...

不是的，比如sessionID 这类的，只需要唯一，甚至都不需要递增。微信文章里提到的 序列号，同步的时间戳对于个体（单个人）来说是需要严格增的，微信的分段不同于滴滴讲的分段，微信的是根据人分段，滴滴是单纯分段，应用范围有很大的差别。 就以微信中的小明为列子，新产生的ID是绝不会低于他之前产生的ID的，这里的滴滴算法是不能保证的，除非同一个人永远落到一个段内。

IM中的ID生成器没有滴滴想的这么简单，也许满足了他的场景，但是在微信、钉钉这种纯IM体系中，还要复杂一点。

引用：eagle042 发表于 2020-10-23 16:05
本文简单总结一下：
1.  ID 分类（分片）。
2.  同一种类ID分段。

im中也不一定要严格递增，微信的id就是趋势递增，不是严格递增：《IM消息ID技术专题(一)：微信的海量IM聊天消息序列号生成实践（算法原理篇）》

本文简单总结一下：
1.  ID 分类（分片）。
2.  同一种类ID分段。
3. 同一种类ID分步长。
整体上是一种分片的逻辑。 此类ID 是趋势递增的，在IM通信中应用有限，IM中很多ID是需要严格增的，比如时间戳，比如消息游标。

不错啊