一、前言

在日常開發(fā)中，數(shù)據(jù)庫(kù)中主鍵id的生成方案，主要有三種

• 數(shù)據(jù)庫(kù)自增ID
• 采用隨機(jī)數(shù)生成不重復(fù)的ID
• 采用jdk提供的uuid

對(duì)于這三種方案，我發(fā)現(xiàn)在數(shù)據(jù)量少的情況下，沒有特別的差異，但是當(dāng)單表的數(shù)據(jù)量達(dá)到百萬(wàn)級(jí)以上時(shí)候，他們的性能有著顯著的區(qū)別，光說理論不行，還得看實(shí)際程序測(cè)試，今天就帶著大家一探究竟！

二、程序?qū)嵗?/span>

首先，我們?cè)诒镜財(cái)?shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建三張單表tb_uuid_1、tb_uuid_2、tb_uuid_3，同時(shí)設(shè)置tb_uuid_1表的主鍵為自增長(zhǎng)模式，腳本如下：

CREATE TABLE `tb_uuid_1` (
  `id` bigint(20) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `name` varchar(20) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_unicode_ci COMMENT='主鍵ID自增長(zhǎng)';

CREATE TABLE `tb_uuid_2` (
  `id` bigint(20) unsigned NOT NULL,
  `name` varchar(20) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_unicode_ci COMMENT='主鍵ID隨機(jī)數(shù)生成';

CREATE TABLE `tb_uuid_3` (
  `id` varchar(50)  NOT NULL,
  `name` varchar(20) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_unicode_ci COMMENT='主鍵采用uuid生成';

下面，我們采用Springboot + mybatis來實(shí)現(xiàn)插入測(cè)試。

2.1、數(shù)據(jù)庫(kù)自增

以數(shù)據(jù)庫(kù)自增為例，首先編寫好各種實(shí)體、數(shù)據(jù)持久層操作，方便后續(xù)進(jìn)行測(cè)試

/**
 * 表實(shí)體
 */
public class UUID1 implements Serializable {

    private Long id;

    private String name;
  
  //省略set、get
}

/**
 * 數(shù)據(jù)持久層操作
 */
public interface UUID1Mapper {

    /**
     * 自增長(zhǎng)插入
     * @param uuid1
     */
    @Insert("INSERT INTO tb_uuid_1(name) VALUES(#{name})")
    void insert(UUID1 uuid1);
}

/**
 * 自增ID，單元測(cè)試
 */
@Test
public void testInsert1(){
    long start = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        uuid1Mapper.insert(new UUID1().setName("張三"));
    }
    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("花費(fèi)時(shí)間：" +  (end - start));
}

2.2、采用隨機(jī)數(shù)生成ID

這里，我們采用twitter的雪花算法來實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)ID的生成，工具類如下：

public class SnowflakeIdWorker {

    private static SnowflakeIdWorker instance = new SnowflakeIdWorker(0,0);

    /**
     * 開始時(shí)間截 (2015-01-01)
     */
    private final long twepoch = 1420041600000L;
    /**
     * 機(jī)器id所占的位數(shù)
     */
    private final long workerIdBits = 5L;
    /**
     * 數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)id所占的位數(shù)
     */
    private final long datacenterIdBits = 5L;
    /**
     * 支持的最大機(jī)器id，結(jié)果是31 (這個(gè)移位算法可以很快的計(jì)算出幾位二進(jìn)制數(shù)所能表示的最大十進(jìn)制數(shù))
     */
    private final long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits);
    /**
     * 支持的最大數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)id，結(jié)果是31
     */
    private final long maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits);
    /**
     * 序列在id中占的位數(shù)
     */
    private final long sequenceBits = 12L;
    /**
     * 機(jī)器ID向左移12位
     */
    private final long workerIdShift = sequenceBits;
    /**
     * 數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)id向左移17位(12+5)
     */
    private final long datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;
    /**
     * 時(shí)間截向左移22位(5+5+12)
     */
    private final long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits;
    /**
     * 生成序列的掩碼，這里為4095 (0b111111111111=0xfff=4095)
     */
    private final long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);
    /**
     * 工作機(jī)器ID(0~31)
     */
    private long workerId;
    /**
     * 數(shù)據(jù)中心ID(0~31)
     */
    private long datacenterId;
    /**
     * 毫秒內(nèi)序列(0~4095)
     */
    private long sequence = 0L;
    /**
     * 上次生成ID的時(shí)間截
     */
    private long lastTimestamp = -1L;
    /**
     * 構(gòu)造函數(shù)
     * @param workerId     工作ID (0~31)
     * @param datacenterId 數(shù)據(jù)中心ID (0~31)
     */
    public SnowflakeIdWorker(long workerId, long datacenterId) {
        if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException(String.format("worker Id can't be greater than %d or less than 0", maxWorkerId));
        }
        if (datacenterId > maxDatacenterId || datacenterId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException(String.format("datacenter Id can't be greater than %d or less than 0", maxDatacenterId));
        }
        this.workerId = workerId;
        this.datacenterId = datacenterId;
    }
    /**
     * 獲得下一個(gè)ID (該方法是線程安全的)
     * @return SnowflakeId
     */
    public synchronized long nextId() {
        long timestamp = timeGen();
        // 如果當(dāng)前時(shí)間小于上一次ID生成的時(shí)間戳，說明系統(tǒng)時(shí)鐘回退過這個(gè)時(shí)候應(yīng)當(dāng)拋出異常
        if (timestamp < lastTimestamp) {
            throw new RuntimeException(
                    String.format("Clock moved backwards.  Refusing to generate id for %d milliseconds", lastTimestamp - timestamp));
        }
        // 如果是同一時(shí)間生成的，則進(jìn)行毫秒內(nèi)序列
        if (lastTimestamp == timestamp) {
            sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;
            // 毫秒內(nèi)序列溢出
            if (sequence == 0) {
                //阻塞到下一個(gè)毫秒,獲得新的時(shí)間戳
                timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp);
            }
        }
        // 時(shí)間戳改變，毫秒內(nèi)序列重置
        else {
            sequence = 0L;
        }
        // 上次生成ID的時(shí)間截
        lastTimestamp = timestamp;
        // 移位并通過或運(yùn)算拼到一起組成64位的ID
        return ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) //
                | (datacenterId << datacenterIdShift) //
                | (workerId << workerIdShift) //
                | sequence;
    }
    /**
     * 阻塞到下一個(gè)毫秒，直到獲得新的時(shí)間戳
     * @param lastTimestamp 上次生成ID的時(shí)間截
     * @return 當(dāng)前時(shí)間戳
     */
    protected long tilNextMillis(long lastTimestamp) {
        long timestamp = timeGen();
        while (timestamp <= lastTimestamp) {
            timestamp = timeGen();
        }
        return timestamp;
    }
    /**
     * 返回以毫秒為單位的當(dāng)前時(shí)間
     * @return 當(dāng)前時(shí)間(毫秒)
     */
    protected long timeGen() {
        return System.currentTimeMillis();
    }

    public static SnowflakeIdWorker getInstance(){
        return instance;
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SnowflakeIdWorker idWorker = SnowflakeIdWorker.getInstance();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            long id = idWorker.nextId();
            Thread.sleep(1);
            System.out.println(id);
        }
    }
}

其他的操作，與上面類似。

2.3、uuid

同樣的，uuid的生成，我們事先也可以將工具類編寫好：

public class UUIDGenerator {

    /**
     * 獲取uuid
     * @return
     */
    public static String getUUID(){
        return UUID.randomUUID().toString();
    }
}

最后的單元測(cè)試，代碼如下：

@RunWith(SpringRunner.class)
@SpringBootTest()
public class UUID1Test {

    private static final Integer MAX_COUNT = 1000000;

    @Autowired
    private UUID1Mapper uuid1Mapper;

    @Autowired
    private UUID2Mapper uuid2Mapper;

    @Autowired
    private UUID3Mapper uuid3Mapper;

    /**
     * 測(cè)試自增ID耗時(shí)
     */
    @Test
    public void testInsert1(){
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < MAX_COUNT; i++) {
            uuid1Mapper.insert(new UUID1().setName("張三"));
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("自增ID，花費(fèi)時(shí)間：" +  (end - start));
    }

    /**
     * 測(cè)試采用雪花算法生產(chǎn)的隨機(jī)數(shù)ID耗時(shí)
     */
    @Test
    public void testInsert2(){
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < MAX_COUNT; i++) {
            long id = SnowflakeIdWorker.getInstance().nextId();
            uuid2Mapper.insert(new UUID2().setId(id).setName("張三"));
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("花費(fèi)時(shí)間：" +  (end - start));
    }

    /**
     * 測(cè)試采用UUID生成的ID耗時(shí)
     */
    @Test
    public void testInsert3(){
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < MAX_COUNT; i++) {
            String id = UUIDGenerator.getUUID();
            uuid3Mapper.insert(new UUID3().setId(id).setName("張三"));
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("花費(fèi)時(shí)間：" +  (end - start));
    }
}

三、性能測(cè)試

程序環(huán)境搭建完成之后，啥也不說了，直接擼起袖子，將單元測(cè)試跑起來！

首先測(cè)試一下，插入100萬(wàn)數(shù)據(jù)的情況下，三者直接的耗時(shí)結(jié)果如下：

在原有的數(shù)據(jù)量上，我們繼續(xù)插入30萬(wàn)條數(shù)據(jù)，三者耗時(shí)結(jié)果如下：

可以看出在數(shù)據(jù)量 100W 左右的時(shí)候，uuid的插入效率墊底，隨著插入的數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)，uuid 生成的ID插入呈直線下降！

時(shí)間占用量總體效率排名為：自增ID > 雪花算法生成的ID >> uuid生成的ID。

在數(shù)據(jù)量較大的情況下，為什么uuid生成的ID遠(yuǎn)不如自增ID呢？

關(guān)于這點(diǎn)，我們可以從 mysql 主鍵存儲(chǔ)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來進(jìn)行分析。

3.1、自增ID內(nèi)部結(jié)構(gòu)

自增的主鍵的值是順序的，所以 Innodb 把每一條記錄都存儲(chǔ)在一條記錄的后面。

當(dāng)達(dá)到頁(yè)面的最大填充因子時(shí)候(innodb默認(rèn)的最大填充因子是頁(yè)大小的15/16,會(huì)留出1/16的空間留作以后的修改)，會(huì)進(jìn)行如下操作：

• 下一條記錄就會(huì)寫入新的頁(yè)中，一旦數(shù)據(jù)按照這種順序的方式加載，主鍵頁(yè)就會(huì)近乎于順序的記錄填滿，提升了頁(yè)面的最大填充率，不會(huì)有頁(yè)的浪費(fèi)
• 新插入的行一定會(huì)在原有的最大數(shù)據(jù)行下一行，mysql定位和尋址很快，不會(huì)為計(jì)算新行的位置而做出額外的消耗

3.2、使用uuid的索引內(nèi)部結(jié)構(gòu)

uuid相對(duì)順序的自增id來說是毫無(wú)規(guī)律可言的，新行的值不一定要比之前的主鍵的值要大，所以innodb無(wú)法做到總是把新行插入到索引的最后，而是需要為新行尋找新的合適的位置從而來分配新的空間。

這個(gè)過程需要做很多額外的操作，數(shù)據(jù)的毫無(wú)順序會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)分布散亂，將會(huì)導(dǎo)致以下的問題：

• 寫入的目標(biāo)頁(yè)很可能已經(jīng)刷新到磁盤上并且從緩存上移除，或者還沒有被加載到緩存中，innodb在插入之前不得不先找到并從磁盤讀取目標(biāo)頁(yè)到內(nèi)存中，這將導(dǎo)致大量的隨機(jī)IO
• 因?yàn)閷懭胧莵y序的,innodb不得不頻繁的做頁(yè)分裂操作,以便為新的行分配空間,頁(yè)分裂導(dǎo)致移動(dòng)大量的數(shù)據(jù)，一次插入最少需要修改三個(gè)頁(yè)以上
• 由于頻繁的頁(yè)分裂，頁(yè)會(huì)變得稀疏并被不規(guī)則的填充，最終會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)會(huì)有碎片

在把值載入到聚簇索引(innodb默認(rèn)的索引類型)以后，有時(shí)候會(huì)需要做一次OPTIMEIZE TABLE來重建表并優(yōu)化頁(yè)的填充，這將又需要一定的時(shí)間消耗。

因此，在選擇主鍵ID生成方案的時(shí)候，盡可能別采用uuid的方式來生成主鍵ID，隨著數(shù)據(jù)量越大，插入性能會(huì)越低！

四、總結(jié)

在實(shí)際使用過程中，推薦使用主鍵自增ID和雪花算法生成的隨機(jī)ID。

但是使用自增ID也有缺點(diǎn)：

1. 別人一旦爬取你的數(shù)據(jù)庫(kù)，就可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的自增id獲取到你的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)信息，很容易進(jìn)行數(shù)據(jù)竊取。

2. 其次，對(duì)于高并發(fā)的負(fù)載，innodb在按主鍵進(jìn)行插入的時(shí)候會(huì)造成明顯的鎖爭(zhēng)用，主鍵的上界會(huì)成為爭(zhēng)搶的熱點(diǎn)，因?yàn)樗械牟迦攵及l(fā)生在這里，并發(fā)插入會(huì)導(dǎo)致間隙鎖競(jìng)爭(zhēng)。

總結(jié)起來，如果業(yè)務(wù)量小，推薦采用自增ID，如果業(yè)務(wù)量大，推薦采用雪花算法生成的隨機(jī)ID。

本篇文章主要從實(shí)際程序?qū)嵗霭l(fā)，討論了三種主鍵ID生成方案的性能差異， 鑒于筆者才疏學(xué)淺，可能也有理解不到位的地方，歡迎網(wǎng)友們批評(píng)指出！

五、參考

1、方志明 - 使用雪花id或uuid作為Mysql主鍵，被老板懟了一頓！

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