Vitess全局唯一ID生成的实现方案

2023-09-26 11:30 由京东云技术团队发表于 #数据库

为了标识一段数据，通常我们会为其指定一个唯一id，比如利用MySQL数据库中的自增主键。但是当数据量非常大时，仅靠数据库的自增主键是远远不够的，并且对于分布式数据库只依赖MySQL的自增id无法满足全局唯一的需求。因此，产生了多种解决方案，如UUID，SnowFlake等。下文将介绍Vitess是如何解决这个问题的。

Vitess全局唯一id生成

在Vitess实现方案中，每个设置了全局唯一列的表，都会对应一张sequence序列表。例如对于表user，会对应一张名为user_seq的序列表，原表与序列表的关联关系会记录在元数据中。user表以及user_seq这两张表元数据信息分别如下：

user表元数据：分片键为name列，分片算法为hash；全局唯一列为id列，依赖user_seq表生成具体的值。

{
    "tables": {
        "user": {
            "column_vindexes": [
                {
                    "column": "name",
                    "name": "hash"
                }
            ],
            "auto_increment": {
                "column": "id",
                "sequence": "user_seq"
            }
        }
    }
}

user_seq表元数据：表类型标识为sequence。

{
  "tables": {
    "user_seq": {
      "type": "sequence"
    }
  }
}

所有sequence表表结构相同，如下所示：

CREATE TABLE user_seq (
	id int,
	next_id bigint,
	cache bigint,
	PRIMARY KEY (id)
) COMMENT 'vitess_sequence';

且其中只有一条id为0的数据：

mysql> select * from user_seq;
+----+---------+-------+
| id | next_id | cache |
+----+---------+-------+
|  0 |    1000 |   100 |
+----+---------+-------+

sequence表可以认为是一个分号器，cache字段表示每次发放号段的个数，next_id列表示每次发放号段的起始值****。Vitess每个分片在初始化时会从sequence根据next_id、cache获取号段保存在VtTablet（MySQL实例前的代理服务）的内存中，当内存中号段耗尽时，再次从sequence表中获取新号段。

我们深入代码看一下具体的实现逻辑：

// 获取sequence的方法
func (qre *QueryExecutor) execNextval() (*sqltypes.Result, error) {
    // 从plan中获取inc（为要获取的id数量）以及tableName
	inc, err := resolveNumber(qre.plan.NextCount, qre.bindVars)
	tableName := qre.plan.TableName()
	t := qre.plan.Table
	t.SequenceInfo.Lock()
	defer t.SequenceInfo.Unlock()
	if t.SequenceInfo.NextVal == 0 || t.SequenceInfo.NextVal+inc > t.SequenceInfo.LastVal {
        // 在事务中运行
		_, err := qre.execAsTransaction(func(conn *StatefulConnection) (*sqltypes.Result, error) {
            // 使用select for update锁住行数据以免在计算并更新新值期间被其他线程修改
			query := fmt.Sprintf("select next_id, cache from %s where id = 0 for update", sqlparser.String(tableName))
			qr, err := qre.execSQL(conn, query, false)
			nextID, err := evalengine.ToInt64(qr.Rows[0][0])

			if t.SequenceInfo.LastVal != nextID {
                // 如果从_seq表读取得到的id值小于tablet缓存中id，则将缓存中的值更新到_seq表中
				if nextID < t.SequenceInfo.LastVal {
					log.Warningf("Sequence next ID value %v is below the currently cached max %v, updating it to max", nextID, t.SequenceInfo.LastVal)
					nextID = t.SequenceInfo.LastVal
				}
				t.SequenceInfo.NextVal = nextID
				t.SequenceInfo.LastVal = nextID
			}
			cache, err := evalengine.ToInt64(qr.Rows[0][1])

            // 按照cache的倍数获取到大于inc量的缓存，计算出新newLast
			newLast := nextID + cache
			for newLast < t.SequenceInfo.NextVal+inc {
				newLast += cache
			}
            // 将新的边界值更新到_seq表中
			query = fmt.Sprintf("update %s set next_id = %d where id = 0", sqlparser.String(tableName), newLast)
			_, err = qre.execSQL(conn, query, false)
			t.SequenceInfo.LastVal = newLast
		})
	}
    // 返回获取的sequence值 更新SequenceInfo
	ret := t.SequenceInfo.NextVal
	t.SequenceInfo.NextVal += inc
	return ret
}

从源码中可以看到：

Vitess使用了事务内锁行（select for update）的方式保证了多线程下查询并更新序列表不会互相干扰。
如果VtTablet中自增序列值缓存不足或者号段耗尽后，从sequence表重新获取值，并更新序列表中next_id字段。
根据inc的大小，即所需ID的数量，VtTablet会以cache为最小块，从序列表中获取n*cache个数量的id缓存在内存中。

补充说明：

1. sequence表为非拆分的表。

2. 全局唯一id生成无法保证连续性。

VtDriver实现方式

在Vitess的SDK客户端方案VtDriver中，sequence的生成逻辑被封装在了MySQL驱动包本身当中，与Vitess的方案类似，对于设置了全局自增的表，其sequence的生成同样依赖于对应的序列表，序列表的结构与Vitess的序列表相同（参上），但是读取并更新字段next_id的方式使用了CAS的方案：

public long[] querySequenceValue(Vcursor vCursor, ResolvedShard resolvedShard, String sequenceTableName) throws SQLException, InterruptedException {
	// cas 重试次数限制
    int retryTimes = DEFAULT_RETRY_TIMES;
    while (retryTimes > 0) {
    	// 查询_seq表中的sequence设置，其中cache为本地缓存的大小
        String querySql = "select next_id, cache from " + sequenceTableName + " where id = 0";
        VtResultSet vtResultSet = (VtResultSet) vCursor.executeStandalone(querySql, new HashMap<>(), resolvedShard, false);
        long[] sequenceInfo = getVtResultValue(vtResultSet);
        long next = sequenceInfo[0];
        long cache = sequenceInfo[1];

		// 将计算出的next_id的值尝试更新到_seq表中，如果失败则重新读取并更新，直到成功为止
        String updateSql = "update " + sequenceTableName + " set next_id = " + (next + cache) + " where next_id =" + sequenceInfo[0];
        VtRowList vtRowList = vCursor.executeStandalone(updateSql, new HashMap<>(), resolvedShard, false);
        if (vtRowList.getRowsAffected() == 1) {
            sequenceInfo[0] = next;
            return sequenceInfo;
        }
        retryTimes--;
        Thread.sleep(ThreadLocalRandom.current().nextInt(1, 6));
    }
    throw new SQLException("Update sequence cache failed within retryTimes: " + DEFAULT_RETRY_TIMES);
}

在源码中可以看到：

在整个查询并更新序列表的过程中，没有出现Vitess实现中的开启事务以及产生锁表的情况，而是使用了CAS更新的方式。
利用update user_seq set next_id=？ where next_id=？执行的返回值判断是否语句是否更新成功，如果失败则重新查询next_id的值，计算新值再尝试更新，如果出现并发争抢的情况，Vtdriver中允许最多的重试次数DEFAULT_RETRY_TIMES为100次。

VtDriver中使用sequence的方式与MySQL自增键类似，如果设置了sequence的表在插入数据的过程中，自增列没有给定具体的值，会直接从本地缓存中获取自增ID，如果无缓存或者缓存不足时，才会路由到序列表所在MySQL服务获取sequence值。

事务+锁表 or CAS ？

在Vitess实现sequence的源码当中，其更新序列表的过程为：开启事务时执行select for update，使用表锁，保证多线程安全。在现实往往充满了不确定性，我们可以想象一下：如果应用锁了数据库中的表后，由于自身的性能原因等而迟迟没有执行commit操作，或者应用节点出现了宕机的情况，此时：

应用宕机后，其持有的锁不会被释放！后续任何其他连接对于该表的任何SQL都会被持续阻塞！

VtDriver作为Vitess的客户端方案，如果其sequence实现采用事务锁的方式，由于各个应用端都会与MySQL服务直连，即各个应用获取sequence的过程都会产生锁表的行为。此时，一旦应用端由于某些原因出现锁表时长增大，甚至于应用宕机的情况，则所有应用都会由于其锁表而产生非常明显的性能下降甚至死锁。采用cas的方式使得整个过程不需要显式的开启事务，不需要锁行，自然也不存在潜在的死锁风险。当然，CAS在并发高于一定程度时会出现各个线程互相争抢资源，此时会有更新失败不断重试的情况发生，给CPU带来一定的压力，而这可以通过设置更大的cache值，增加本地缓存数量的方式来调节。

作者：京东零售金越

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