如何在高併發分佈式系統中生成全局惟一Id

又一個多月沒冒泡了,其實最近學了些東西,可是沒有安排時間整理成博文,後續再奉上。最近還寫了一個發郵件的組件以及性能測試請看 《NET開發郵件發送功能的全面教程(含郵件組件源碼)》 ,還弄了個MSSQL參數化語法生成器,會在9月整理出來,有興趣的園友能夠關注下個人博客。html

 

分享起因,最近公司用到,而且在找最合適的方案,但願你們多參與討論和提出新方案。我和個人小夥伴們也討論了這個主題,我受益不淺啊……java

 

博文示例:mysql

1.         GUID生成Int64值後是否還具備惟一性測試程序員

2.         Random生成高惟一性隨機碼web

 

今天分享的主題是:如何在高併發分佈式系統中生成全局惟一Idredis

但這篇博文其實是「半分享半討論」的博文:算法

1)         半分享是我將說下我所瞭解到的關於今天主題所涉及的幾種方案。sql

2)         半討論是我但願你們對各個方案都說說本身的看法,更加但願你們能提出更好的方案。(我還另外提問在此:http://q.cnblogs.com/q/53552/上面已有幾位園友回覆(感謝dudu站長的參與),若大家有看法和新方案就在本博文留言吧,方便我整理更新到博文中,謝謝!)mongodb

 

我瞭解的方案以下……………………………………………………………………數據庫

一、  使用數據庫自增Id

優點:編碼簡單,無需考慮記錄惟一標識的問題。

缺陷:

1)         在大表作水平分表時,就不能使用自增Id,由於Insert的記錄插入到哪一個分表依分表規則斷定決定,如果自增Id,各個分表中Id就會重複,在作查詢、刪除時就會有異常。

2)         在對錶進行高併發單記錄插入時須要加入事物機制,不然會出現Id重複的問題。

3)         在業務上操做父、子表(即關聯表)插入時,須要在插入數據庫以前獲取max(id)用於標識父表和子表關係,若存在併發獲取max(id)的狀況,max(id)會同時被別的線程獲取到。

4)         等等。

結論:適合小應用,無需分表,沒有高併發性能要求。

二、  單獨開一個數據庫,獲取全局惟一的自增序列號或各表的MaxId

1)         使用自增序列號表

專門一個數據庫,生成序列號。開啓事物,每次操做插入時,先將數據插入到序列表並返回自增序列號用於作爲惟一Id進行業務數據插入。

注意:須要按期清理序列表的數據以保證獲取序列號的效率;插入序列表記錄時要開啓事物。

使用此方案的問題是:每次的查詢序列號是一個性能損耗;若是這個序列號列暴了,那就杯具了,你不知道哪一個表使用了哪一個序列,因此就必須換另外一種惟一Id方式如GUID

2)         使用MaxId表存儲各表的MaxId

專門一個數據庫,記錄各個表的MaxId值,建一個存儲過程來取Id,邏輯大體爲:開啓事物,對於在表中不存在記錄,直接返回一個默認值爲1的鍵值,同時插入該條記錄到table_key表中。而對於已存在的記錄,key值直接在原來的key基礎上加1更新到MaxId表中並返回key

使用此方案的問題是:每次的查詢MaxId是一個性能損耗;不過不會像自增序列表那麼容易列暴掉,由於是擺表進行劃分的。

詳細可參考:《使用MaxId表存儲各表的MaxId值,以獲取全局惟一Id

                   我截取此文中的sql語法以下:

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第一步:建立表
create   table   table_key
(
        table_name   varchar (50) not   null   primary   key ,
        key_value    int           not   null
)
 
 
第二步:建立存儲過程來取自增ID
create   procedure   up_get_table_key
(
    @table_name     varchar (50),
    @key_value      int   output
)
as
begin
      begin   tran
          declare   @ key    int
          
          --initialize the key with 1
          set   @ key =1
          --whether the specified table is exist
          if not   exists( select   table_name from   table_key where   table_name=@table_name)
             begin
               insert   into   table_key values (@table_name,@ key )        --default key vlaue:1
             end
          -- step increase
          else   
             begin
                 select   @ key =key_value from   table_key with   (nolock) where   table_name=@table_name
                 set   @ key =@ key +1
                 --update the key value by table name
                 update   table_key set   key_value=@ key   where   table_name=@table_name
             end
         --set ouput value
     set   @key_value=@ key
 
     --commit tran
     commit   tran
         if @@error>0
       rollback   tran
end

感謝園友的好建議:

1.         @_)建議給table_key中爲每一個表初始化一條key1的記錄,這樣就不用每次if來判斷了。

2.         @樂活的CodeMonkey)建議給存儲過程當中數據庫事物隔離級別提升一下,由於出如今CS代碼層上使用以下事物代碼會致使併發重複問題.

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TransactionOptions option = new   TransactionOptions();
option.IsolationLevel = IsolationLevel.ReadUncommitted;
option.Timeout = new   TimeSpan(0, 10, 0);
  
using   (TransactionScope transaction = new   TransactionScope(TransactionScopeOption.RequiresNew, option))
{
         //調用存儲過程
}

在諮詢過DBA後,這個存儲過程提升數據庫隔離級別會加大數據庫訪問壓力,致使響應超時問題。因此這個建議咱們只能在代碼編寫宣導上作

3.         @土豆烤肉)存儲過程當中不使用事物,一旦使用到事物性能就急劇下滑。直接使用UPDATE獲取到的更新鎖,即SQL SERVER會保證UPDATE的順序執行。(已在用戶過千萬的併發系統中使用)

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create   procedure   [dbo].[up_get_table_key]
(
    @table_name     varchar (50),
    @key_value      int   output
)
as
begin
 
     SET   NOCOUNT ON ;
     DECLARE   @maxId INT
     UPDATE   table_key
     SET   @maxId = key_value,key_value = key_value + 1
     WHERE   table_name=@table_name
     SELECT   @maxId
 
end

結論:適用中型應用,此方案解決了分表,關聯表插入記錄的問題。可是沒法知足高併發性能要求。同時也存在單點問題,若是這個數據庫cash掉的話……

咱們目前正頭痛這個問題,由於咱們的高併發經常出現數據庫訪問超時,瓶頸就在這個MaxId表。咱們也有考慮使用分佈式緩存(egmemcached)緩存第一次訪問MaxId表數據,以提升再次訪問速度,並定時用緩存數據更新一次MaxId表,但咱們擔憂的問題是:

a)         假若緩存失效或暴掉了,那緩存的MaxId沒有更新到數據庫致使數據丟失,必須停掉站點來執行Select max(id)各個表來同步MaxId表。

b)         分佈式緩存不是一保存下去,其餘服務器上就立馬能夠獲取到的,即數據存在不肯定性。(其實也是緩存的一個誤用,緩存應該用來存的是頻繁訪問而且不多改動的內容)

         改進方案:

總體思想:創建兩臺以上的數據庫ID生成服務器,每一個服務器都有一張記錄各表當前IDMaxId表,可是MaxId表中Id的增加步長是服務器的數量,起始值依次錯開,這樣至關於把ID的生成散列到每一個服務器節點上。例如:若是咱們設置兩臺數據庫ID生成服務器,那麼就讓一臺的MaxId表的Id起始值爲1(或當前最大Id+1),每次增加步長爲2,另外一臺的MaxId表的ID起始值爲2(或當前最大Id+2),每次步長也爲2。這樣就將產生ID的壓力均勻分散到兩臺服務器上,同時配合應用程序控制,當一個服務器失效後,系統能自動切換到另外一個服務器上獲取ID,從而解決的單點問題保證了系統的容錯。(Flickr思想)

可是要注意:一、多服務器就必須面臨負載均衡的問題;二、假若添加新節點,須要對原有數據從新根據步長計算遷移數據。

結論:適合大型應用,生成Id較短,友好性比較好。(強烈推薦)

三、  Sequence特性

這個特性在SQL Server 2012Oracle中可用。這個特性是數據庫級別的,容許在多個表之間共享序列號。它能夠解決分表在同一個數據庫的狀況,但假若分表放在不一樣數據庫,那將共享不到此序列號。(egSequence使用場景:你須要在多個表之間公用一個流水號。以往的作法是額外創建一個表,而後存儲流水號)

相關Sequence特性資料:

SQL Server2012中的SequenceNumber嘗試

SQL Server 2012 開發新功能——序列對象(Sequence

identitysequence的區別

Difference between Identity and Sequence in SQL Server 2012

結論:適用中型應用,此方案不能徹底解決分表問題,並且沒法知足高併發性能要求。同時也存在單點問題,若是這個數據庫cash掉的話……

四、  經過數據庫集羣編號+集羣內的自增類型兩個字段共同組成惟一主鍵

優勢:實現簡單,維護也比較簡單。

缺點:關聯表操做相對比較複雜,須要兩個字段。而且業務邏輯必須是一開始就設計爲處理複合主鍵的邏輯,假若是到了後期,由單主鍵轉爲複合主鍵那改動成本就太大了。

結論:適合大型應用,但須要業務邏輯配合處理複合主鍵。

五、  經過設置每一個集羣中自增 ID 起始點(auto_increment_offset),將各個集羣的ID進行絕對的分段來實現全局惟一。當遇到某個集羣數據增加過快後,經過命令調整下一個 ID 起始位置跳過可能存在的衝突。

優勢:實現簡單,且比較容易根據 ID 大小直接判斷出數據處在哪一個集羣,對應用透明。缺點:維護相對較複雜,須要高度關注各個集羣 ID 增加情況。

結論:適合大型應用,但須要高度關注各個集羣 ID 增加情況。

六、  GUIDGlobally Unique Identifier全局惟一標識符

GUID一般表示成3216進制數字(09AF)組成的字符串,如:{21EC2020-3AEA-1069-A2DD-08002B30309D},它實質上是一個128位長的二進制整數。

GUID制定的算法中使用到用戶的網卡MAC地址,以保證在計算機集羣中生成惟一GUID;在相同計算機上隨機生成兩個相同GUID的可能性是很是小的,但並不爲0。因此,用於生成GUID的算法一般都加入了非隨機的參數(如時間),以保證這種重複的狀況不會發生。

優勢:GUID是最簡單的方案,跨平臺,跨語言,跨業務邏輯,全局惟一的Id,數據間同步、遷移都能簡單實現。

缺點:

1)         存儲佔了32位,且無可讀性,返回GUID給客戶顯得很不專業;

2)         佔用了珍貴的彙集索引,通常咱們不會根據GUID去查單據,而且插入時由於GUID是無需的,在彙集索引的排序規則下可能移動大量的記錄。

有兩位園友主推GUID,無須順序GUID方案緣由以下:

@徐少俠           GUID無序在併發下效率高,而且一個數據頁內添加新行,是在B樹內增長,本質沒有什麼數據被移動,惟一可能的,是頁填充因子滿了,須要拆頁。而GUID方案致使的拆頁比順序ID要低太多了(數據庫不是很懂,暫時沒法判定,你們本身認識)

@無色                咱們要明白id是什麼,是身份標識,標識身份是id最大的業務邏輯,不要引入什麼時間,什麼用戶業務邏輯,那是另一個字段乾的事,使用base64(guid,uuid),是通盤考慮,徹底能夠更好的兼容nosql,key-value存儲。

(推薦),可是假若你係統一開始沒有規劃一個業務Id,那麼將致使大量的改動,因此這個方案的最佳狀態是一開始就設計業務Id,固然業務Id的惟一性也是咱們要考慮的。

結論:適合大型應用;生成的Id不夠友好;佔據了32位;索引效率較低。

改進:

1)         @dudu提點)在SQL Server 2005中新增了NEWSEQUENTIALID函數。

詳細請看:《理解newid()newsequentialid()

在指定計算機上建立大於先前經過該函數生成的任何 GUID  GUID newsequentialid 產生的新的值是有規律的,則索引B+樹的變化是有規律的,就不會致使索引列插入時移動大量記錄的問題。

但一旦服務器從新啓動,其再次生成的GUID可能反而變小(但仍然保持惟一)。這在很大程度上提升了索引的性能,但並不能保證所生成的GUID一直增大。SQL的這個函數產生的GUID很簡單就能夠預測,所以不適合用於安全目的。

a)         只能作爲數據庫列的DEFAULT VALUE,不能執行相似SELECT NEWSEQUENTIALID()的語句.

b)         如何得到生成的GUID.

若是生成的GUID所在字段作爲外鍵要被其餘表使用,咱們就須要獲得這個生成的值。一般,PK是一個IDENTITY字段,咱們能夠在INSERT以後執行 SELECT SCOPE_IDENTITY()來得到新生成的ID,可是因爲NEWSEQUENTIALID()不是一個INDETITY類型,這個辦法是作不到了,而他自己又只能在默認值中使用,不能夠事先SELECT好再插入,那麼咱們如何獲得呢?有如下兩種方法:

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--1. 定義臨時表變量
DECLARE   @outputTable TABLE (ID uniqueidentifier)
INSERT   INTO   TABLE1(col1, col2)
OUTPUT   INSERTED.ID INTO   @outputTable
VALUES ( 'value1' , 'value2' )
SELECT   ID FROM   @outputTable
  
--2. 標記ID字段爲ROWGUID(一個表只能有一個ROWGUID)
INSERT   INTO   TABLE1(col1, col2)
VALUES ( 'value1' , 'value2' )
--在這裏,ROWGUIDCOL其實至關於一個別名
SELECT   ROWGUIDCOL FROM   TABLE1

結論:適合大型應用,解決了GUID無序特性致使索引列插入移動大量記錄的問題。可是在關聯表插入時須要返回數據庫中生成的GUID;生成的Id不夠友好;佔據了32位。

2)         COMB」(combined guid/timestamp,意思是:組合GUID/時間截)

(感謝:@ ethan-luo @lcs-帥 

COMB數據類型的基本設計思路是這樣的:既然GUID數據因毫無規律可言形成索引效率低下,影響了系統的性能,那麼能不能經過組合的方式,保留GUID10個字節,用另6個字節表示GUID生成的時間(DateTime),這樣咱們將時間信息與GUID組合起來,在保留GUID的惟一性的同時增長了有序性,以此來提升索引效率。

NHibernate中,COMB型主鍵的生成代碼以下所示:

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/// <summary> /// Generate a new <see cref="Guid"/> using the comb algorithm.
/// </summary>
private   Guid GenerateComb()
{
     byte [] guidArray = Guid.NewGuid().ToByteArray();
 
     DateTime baseDate = new   DateTime(1900, 1, 1);
     DateTime now = DateTime.Now;
 
     // Get the days and milliseconds which will be used to build   
     //the byte string   
     TimeSpan days = new   TimeSpan(now.Ticks - baseDate.Ticks);
     TimeSpan msecs = now.TimeOfDay;
 
     // Convert to a byte array       
     // Note that SQL Server is accurate to 1/300th of a   
     // millisecond so we divide by 3.333333   
     byte [] daysArray = BitConverter.GetBytes(days.Days);
     byte [] msecsArray = BitConverter.GetBytes(( long )
       (msecs.TotalMilliseconds / 3.333333));
 
     // Reverse the bytes to match SQL Servers ordering   
     Array.Reverse(daysArray);
     Array.Reverse(msecsArray);
 
     // Copy the bytes into the guid   
     Array.Copy(daysArray, daysArray.Length - 2, guidArray,
       guidArray.Length - 6, 2);
     Array.Copy(msecsArray, msecsArray.Length - 4, guidArray,
       guidArray.Length - 4, 4);
 
     return   new   Guid(guidArray);
}

結論:適合大型應用。即保留GUID的惟一性的同時增長了GUID有序性,提升了索引效率;解決了關聯表業務問題;生成的Id不夠友好;佔據了32位。(強烈推薦)

3)         長度問題,使用Base64Ascii85編碼解決。(要注意的是上述有序性方案在進行編碼後也會變得無序)

如:

GUID{3F2504E0-4F89-11D3-9A0C-0305E82C3301}

當須要使用更少的字符表示GUID時,可能會使用Base64Ascii85編碼。Base64編碼的GUID2224個字符,如:

7QDBkvCA1+B9K/U0vrQx1A

7QDBkvCA1+B9K/U0vrQx1A==

Ascii85編碼後是20個字符,如:

5:$Hj:Pf\4RLB9%kU\Lj

                   代碼如:

         Guid guid = Guid.NewGuid();

         byte[] buffer = guid.ToByteArray();

         var shortGuid = Convert.ToBase64String(buffer);

                   結論:適合大型應用,縮短GUID的長度。生成的Id不夠友好;索引效率較低。

七、  GUID TO Int64

對於GUID的可讀性,有園友給出以下方案:(感謝:@黑色的羽翼

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/// <summary>
/// 根據GUID獲取19位的惟一數字序列
/// </summary>
public   static   long   GuidToLongID()
{
     byte [] buffer = Guid.NewGuid().ToByteArray();
     return   BitConverter.ToInt64(buffer, 0);
}

即將GUID轉爲了19位數字,數字反饋給客戶能夠必定程度上緩解友好性問題。EG:

GUID: cfdab168-211d-41e6-8634-ef5ba6502a22    (不友好)

Int64: 5717212979449746068                                      (友好性還行)

不過個人小夥伴說ToInt64後就不惟一了。所以我專門寫了個併發測試程序,後文將給出測試結果截圖及代碼簡單說明。

(惟一性、業務適合性是能夠權衡的,這個惟一性確定比不過GUID的,通常程序上都會安排錯誤處理機制,好比異常後執行一次重插的方案……)

結論:適合大型應用,生成相對友好的Id(純數字)------因簡單和業務友好性而推薦。

八、  本身寫編碼規則

優勢:全局惟一Id,符合業務後續長遠的發展(可能具體業務須要本身的編碼規則等等)。

缺陷:根據具體編碼規則實現而不一樣;還要考慮假若主鍵在業務上容許改變的,會帶來外鍵同步的麻煩。

我這邊寫兩個編碼規則方案:(可能不惟一,只是我的方案,也請你們提出本身的編碼規則

1)         12位年月日時分秒+5位隨機碼+3位服務器編碼  (這樣就徹底單機完成生成全局惟一編碼)---20

缺陷:由於附帶隨機碼,因此編碼缺乏必定的順序感。(生成高惟一性隨機碼的方案稍後給給出程序)

2)         12位年月日時分秒+5位流水碼+3位服務器編碼 (這樣流水碼就須要結合數據庫和緩存)---20位   (將影響順序權重大的「流水碼」放前面,影響順序權重小的服務器編碼放後)

缺陷:由於使用到流水碼,流水碼的生成必然會遇到和MaxId、序列表、Sequence方案中相似的問題

(爲何沒有毫秒?毫秒也不具有業務可讀性,我改用5位隨機碼、流水碼代替,推測1秒內應該不會下99999[五位]條語法)

 

結論:適合大型應用,從業務上來講,有一個規則的編碼能體現產品的專業成度。(強烈推薦)

 

 

GUID生成Int64值後是否還具備惟一性測試

測試環境

clip_image002

主要測試思路:

1.         根據內核數使用多線程併發生成Guid後再轉爲Int64位值,放入集合AB、…N,多少個線程就有多少個集合。

2.         再使用Dictionary字典高效查key的特性,將步驟1中生成的多個集合所有加到Dictionary中,看是否有重複值。

示例註解:測了 Dictionary<long,bool> 最大容量就在5999470左右,因此每次併發生成的惟一值總數控制在此範圍內,讓測試達到最有效話。

主要代碼:

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for   ( int   i = 0; i <= Environment.ProcessorCount - 1; i++)
{
     ThreadPool.QueueUserWorkItem(
         (list) =>
         {
             List< long > tempList = list as   List< long >;
             for   ( int   j = 1; j < listLength; j++)
             {
                 byte [] buffer = Guid.NewGuid().ToByteArray();
                 tempList.Add(BitConverter.ToInt64(buffer, 0));
             }
             barrier.SignalAndWait();
         }, totalList[i]);
}

測試數據截圖:                                                                           

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數據一(循環1000次,測試數:1000*5999470)

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數據二(循環5000次,測試數:5000*5999470)--跑了一個晚上……

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感謝@Justany_WhiteSnow的專業回答:(你們分析下,我數學比較差,稍後再說本身的理解)

GUID桶數量:(2 ^ 4) ^ 32 = 2 ^ 128

Int64桶數量: 2 ^ 64

假若每一個桶的機會是均等的,則每一個桶的GUID數量爲:

(2 ^ 128) / (2 ^ 64) = 2 ^ 64 = 18446744073709551616

也就是說,其實重複的機會是有的,只是機率問題。

樓主測試數是29997350000發生重複的機率是:

1 - ((1 - (1 / (2 ^ 64))) ^ 29997350000)  1 - ((1 - 1 / 2 ^ 64)) ^ (2 ^ 32)) < 1 - 1 + 1 / (2 ^ 32) = 1 / (2 ^ 32)  2.3283064e-10

(惟一性、業務適合性是能夠權衡的,這個惟一性確定比不過GUID的,通常程序上都會安排錯誤處理機制,好比異常後執行一次重插的方案……)

(惟一性、業務適合性是能夠權衡的,這個惟一性確定比不過GUID的,通常程序上都會安排錯誤處理機制,好比異常後執行一次重插的方案……)

結論:GUID轉爲Int64值後,也具備高惟一性,可使用與項目中。

 

Random生成高惟一性隨機碼

我使用了五種Random生成方案,要Random生成惟一主要因素就是種子參數要惟一。(這是比較久之前寫的測試案例了,一直找不到合適的博文放,今天終於找到合適的地方了)

不過該測試是在單線程下的,多線程應使用不一樣的Random實例,因此對結果影響不會太大。

1.         使用Environment.TickCount作爲Random參數(即Random的默認參數),重複性最大。

2.         使用DateTime.Now.Ticks作爲Random參數,存在重複。

3.         使用unchecked((int)DateTime.Now.Ticks)作爲Random參數,存在重複。

4.         使用Guid.NewGuid().GetHashCode()作爲random參數,測試不存在重複(或存在性極小)。

5.         使用RNGCryptoServiceProvider作爲random參數,測試不存在重複(或存在性極小)。

即:

        static int GetRandomSeed()

        {

            byte[] bytes = new byte[4];

            System.Security.Cryptography.RNGCryptoServiceProvider rng

= new System.Security.Cryptography.RNGCryptoServiceProvider();

            rng.GetBytes(bytes);

            return BitConverter.ToInt32(bytes, 0);

        }

測試結果:

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結論:隨機碼使用RNGCryptoServiceProviderGuid.NewGuid().GetHashCode()生成的惟一性較高。

 

 

一些精彩評論(部分更新到原博文對應的地方)

1、

數據庫文件體積只是一個參考值,可水平擴展系統性能(如nosql,緩存系統)並不和文件體積有高指數的線性相關。

taobao/qq的系統比拼byte系統慢,關鍵在於索引的命中率,緩存,系統的水平擴展。

若是數據庫不多,你搞這麼多byte能提升性能?

若是數據庫很大,你搞這麼多byte不兼容索引不兼容緩存,不是害自已嗎?

若是數據庫要求伸縮性,你搞這麼多byte,須要不斷改程序,不是自找苦嗎?

若是數據庫要求移植性,你搞這麼多byte,移植起來不如從新設計,這是否是不少公司不斷加班的緣由?

 

不依賴於數據存儲系統是分層設計思想的精華,實現戰略性能最大化,而不是追求戰術單機性能最大化。

 

不要迷信數據庫性能,不要迷信三範式,不要使用外鍵,不要使用byte,不要使用自增id,不要使用存儲過程,不要使用內部函數,不要使用非標準sql,存儲系統只作存儲系統的事。當出現系統性能時,如此設計的數據庫能夠更好的實現遷移數據庫(如mysql->oracle),實現nosql改造((mongodb/hadoop),實現key-value緩存(redis,memcache)

 

2、

不少程序員有對性能認識有誤區,如使用存儲過程代替正常程序,其實使用存儲過程只是追求單服務器的高性能,當須要服務器水平擴展時,存儲過程當中的業務邏輯就是你的噩運。

 

3、

除數字日期,能用字符串存儲的字段儘可能使用字符串存儲,不要爲節省那不值錢的1g的硬盤而使用相似字節之類的字段,進而大幅犧牲系統可伸縮性和可擴展性。

不要爲了追求所謂的性能,引入byte,使用byte註定是短命和難於移植,想一想爲何html,email一直流行,由於它們使用的是字符串表示法,只要有人類永遠都能解析,如email把二進制轉成base64存儲。除了實時系統,視頻外,建議使用字符串來存儲數據,系統性能的關鍵在於分佈式,在於水平擴展。

 

 

本次博文到此結束,但願你們對本次主題「如何在高併發分佈式系統中生成全局惟一Id」多提出本身寶貴的意見。另外看着感受舒服,還請多幫推薦…推薦……

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