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针对多类型数据库,集群数据库的有序GUID

2018年01月23日  | 移动技术网IT编程  | 我要评论

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一、背景

     常见的一种数据库设计是使用连续的整数为做主键,当新的数据插入到数据库时,由数据库自动生成。但这种设计不一定适合所有场景。

     随着越来越多的使用Nhibernate、EntityFramework等ORM(对象关系映射)框架,应用程序被设计成为工作单元(Unit Of Work)模式,需要在数据持久化之前生成主键,为了保证在多线程并发以及站点集群环境中主键的唯一性,最简单最常见的方式是将主键设计成为GUID类型。

     工作单元:是数据库应用程序经常使用的一种设计模式,简单一点来说,就是对多个数据库操作进行打包,记录对象上的所有变化,并在最后提交时一次性将所有变化通过系统事务写入数据库。目的是为了减少数据库调用次数以及避免数据库长事务。

     GUID(全球唯一标识符)也称为UUID,是一种由算法生成的二进制长度为128位的数字标识符。在理想情况下,任何计算机和计算机集群都不会生成两个相同的GUID。GUID 的总数达到了2^128(3.4×10^38)个,所以随机生成两个相同GUID的可能性非常小,但并不为0。GUID一词有时也专指微软对UUID标准的实现。

     描述了创建标准GUID,如今大多数GUID生成算法通常是一个很长的随机数,再结合一些像网络MAC地址这种随机的本地组件信息。

     GUID的优点允许开发人员随时创建新值,而无需从数据库服务器检查值的唯一性,这似乎是一个完美的解决方案。

     很多数据库在创建主键时,为了充分发挥数据库的性能,会自动在该列上创建聚集索引。

     我们先来说一说什么是聚集索引。集索引确定表中数据的物理顺序。聚集索引类似于电话簿,按姓氏排列数据。由于聚集索引规定数据在表中的物理存储顺序,因此一个表也只能包含一个聚集索引。它能够快速查找到数据,但是如果插入数据库的主键不在列表的末尾,向表中添加新行时就非常缓慢。例如,看下面这个例子,在表中已经存在三行数据:

    

     此时非常简单:数据行按对应ID列的顺序储存。如果我们新添加一行ID为8的数据,不会产生任何问题,新行会追加的末尾。

     

     但如果我们想插入一行的ID为5的数据:

      

     ID为7,8的数据行必须向下移动。虽然在这算什么事儿,但当您的数据量达到数百万行的级别之后,这就是个问题了。如果你还想要每秒处理上百次这种请求,那可真是难上加难了。

     这就是GUID主键引发的问题:它是随机产生的,所以在数据插入时,随时都会涉及到数据的移动,导致插入会很缓慢,还会涉及大量不必要的磁盘活动。总结果有两点:

  • 空间的浪费以及由此带来的读写效率的下降;
  • 更主要的,存储的碎片化以及由此带来的读写效率严重下降。

      GUID最关键的问题就是它是随机的。我们需要设计一种有规则的GUID生成方式,在之后生成的GUID类型总是比之前的要大,保证插入数据库的主键是在列表末尾追加的,这种我们称之为有序GUID

 

二、GUID排序规则

     在讲解有序GUID之前,我们必须先了解一下GUID在.Net中以及各个数据库中的排序规则,排序规则不一样,生成有序GUID的规则也会随之变化。

     128位的GUID主要有4部分组成:Data1, Data2, Data3, and Data4,你可以看成下面这样:

11111111-2222-3333-4444-444444444444

     Data1占4个字节、Data2占2个字节、 Data3占2个字节、Data4占8个字节。我们分别的对个字节编上序号:

序号1234 56 78 910 111213141516
Value 11 11 11 11 - 22 22 - 33 33 - 44 44 - 44 44 44 44 44 44

 

 

 

     GUID在.Net中的排序规则

     在.Net中,GUID默认的排序过段规则是按左到右的,看下面这个示例。

 1 var list = new List<Guid> {
 2         new Guid("00000000-0000-0000-0000-010000000000"),
 3         new Guid("00000000-0000-0000-0000-000100000000"),
 4         new Guid("00000000-0000-0000-0000-000001000000"),
 5         new Guid("00000000-0000-0000-0000-000000010000"),
 6         new Guid("00000000-0000-0000-0000-000000000100"),
 7         new Guid("00000000-0000-0000-0000-000000000001"),
 8         new Guid("00000000-0000-0000-0100-000000000000"),
 9         new Guid("00000000-0000-0000-0010-000000000000"),
10         new Guid("00000000-0000-0001-0000-000000000000"),
11         new Guid("00000000-0000-0100-0000-000000000000"),
12         new Guid("00000000-0001-0000-0000-000000000000"),
13         new Guid("00000000-0100-0000-0000-000000000000"),
14         new Guid("00000001-0000-0000-0000-000000000000"),
15         new Guid("00000100-0000-0000-0000-000000000000"),
16         new Guid("00010000-0000-0000-0000-000000000000"),
17         new Guid("01000000-0000-0000-0000-000000000000")
18     };
19     list.Sort();
20 
21     foreach (Guid guid in list) {
22         Console.WriteLine(guid.ToString());
23     }

     输出结果:

00000000-0000-0000-0000-000000000001
00000000-0000-0000-0000-000000000100
00000000-0000-0000-0000-000000010000
00000000-0000-0000-0000-000001000000
00000000-0000-0000-0000-000100000000
00000000-0000-0000-0000-010000000000
00000000-0000-0000-0010-000000000000
00000000-0000-0000-0100-000000000000
00000000-0000-0001-0000-000000000000
00000000-0000-0100-0000-000000000000
00000000-0001-0000-0000-000000000000
00000000-0100-0000-0000-000000000000
00000001-0000-0000-0000-000000000000
00000100-0000-0000-0000-000000000000
00010000-0000-0000-0000-000000000000
01000000-0000-0000-0000-000000000000

     通过上面的输出结果,我们可以得到排序的权重如下:

序号1234 56 78 910 111213141516
权重 1 2 3 4   5 6   7 8   9 10   11 12 13 14 15 16
Value 11 11 11 11 - 22 22 - 33 33 - 44 44 - 44 44 44 44 44 44

 

 

 

      这与数字排序规则一致,从右到左进行依次进行排序(数字越小,权重越高,排序的优先级越高)。

     GUID在各个数据库中的排序规则

     在SQL Server数据库中,我们有一种非常简单的方式来比较两个GUID类型的大小值(其实在SQL Server数据库中称为UniqueIdentifier类型):

 1 With UIDs As (--                         0 1 2 3  4 5  6 7  8 9  A B C D E F
 2             Select ID =  1, UID = cast ('00000000-0000-0000-0000-010000000000' as uniqueidentifier)
 3     Union   Select ID =  2, UID = cast ('00000000-0000-0000-0000-000100000000' as uniqueidentifier)
 4     Union   Select ID =  3, UID = cast ('00000000-0000-0000-0000-000001000000' as uniqueidentifier)
 5     Union   Select ID =  4, UID = cast ('00000000-0000-0000-0000-000000010000' as uniqueidentifier)
 6     Union   Select ID =  5, UID = cast ('00000000-0000-0000-0000-000000000100' as uniqueidentifier)
 7     Union   Select ID =  6, UID = cast ('00000000-0000-0000-0000-000000000001' as uniqueidentifier)
 8     Union   Select ID =  7, UID = cast ('00000000-0000-0000-0100-000000000000' as uniqueidentifier)
 9     Union   Select ID =  8, UID = cast ('00000000-0000-0000-0010-000000000000' as uniqueidentifier)
10     Union   Select ID =  9, UID = cast ('00000000-0000-0001-0000-000000000000' as uniqueidentifier)
11     Union   Select ID = 10, UID = cast ('00000000-0000-0100-0000-000000000000' as uniqueidentifier)
12     Union   Select ID = 11, UID = cast ('00000000-0001-0000-0000-000000000000' as uniqueidentifier)
13     Union   Select ID = 12, UID = cast ('00000000-0100-0000-0000-000000000000' as uniqueidentifier)
14     Union   Select ID = 13, UID = cast ('00000001-0000-0000-0000-000000000000' as uniqueidentifier)
15     Union   Select ID = 14, UID = cast ('00000100-0000-0000-0000-000000000000' as uniqueidentifier)
16     Union   Select ID = 15, UID = cast ('00010000-0000-0000-0000-000000000000' as uniqueidentifier)
17     Union   Select ID = 16, UID = cast ('01000000-0000-0000-0000-000000000000' as uniqueidentifier)
18 )
19 Select * From UIDs Order By UID, ID

     查询结果:

IDUID
16 01000000-0000-0000-0000-000000000000
15 00010000-0000-0000-0000-000000000000
14 00000100-0000-0000-0000-000000000000
13 00000001-0000-0000-0000-000000000000
12 00000000-0100-0000-0000-000000000000
11 00000000-0001-0000-0000-000000000000
10 00000000-0000-0100-0000-000000000000
9 00000000-0000-0001-0000-000000000000
8 00000000-0000-0000-0010-000000000000
7 00000000-0000-0000-0100-000000000000
6 00000000-0000-0000-0000-000000000001
5 00000000-0000-0000-0000-000000000100
4 00000000-0000-0000-0000-000000010000
3 00000000-0000-0000-0000-000001000000
2 00000000-0000-0000-0000-000100000000
1 00000000-0000-0000-0000-010000000000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     通过上面可以得于是如下结果:

  1. 先按每1-8从左到右进行排序;
  2. 接着按第9-10位从右到左进行排序;
  3. 最后按后11-16位从右到左进行排序;

     通过分析,我们可得到如下权重列表:

序号1234 56 78 910 111213141516
权重 16 15 14 13   12 11   10 9   7 8   1 2 3 4 5 6
Value 11 11 11 11 - 22 22 - 33 33 - 44 44 - 44 44 44 44 44 44

 

 

 

     在Microsoft官方文档中,有一篇文档关于GUID与uniqueidentifier的值比较:Comparing GUID and uniqueidentifier Values

     不同的数据库处理GUID的方式也是不同的:

          1)在SQL Server存在内置GUID类型,没有原生GUID支持的数据库通过模拟方式来实现的;

          2)在Oracle保存为raw bytes类型,具体类型为raw(16)

          3)在MySql中通常将GUID储存为char(36)的字符串形式;

     关于Oracle、MySql数据库的排序规则与.Net中排序规则,不过篇章的限制,这里不再做具体的演示。在github上提供了示例SQL语句:https://gist.github.com/tangdf/f0aed064ba10bfa0050e4344b9236889。我们在这里只给出最终的结论:

小结:

  1. .Net中GUID的排序规则是从左到右依次进行排序,与数字排序规则一致;
  2. Sql Server数据库提供对GUID类型的支持,在数据库中称为UniqueIdentifier类型,但是排序规则比较复杂:Oracle数据库未提供对GUID类型的支持,使用的是raw bytes类型保存数据raw(16),具体类型为,排序规则与GUID在.Net中规则一致;
    • 先按每1-8从左到右进行排序;
    • 接着按第9-10位从右到左进行排序;
    • 最后按后11-16位从右到左进行排序;
  3. Oracle数据库未提供对GUID类型的支持,使用的是raw bytes类型保存数据raw(16),具体类型为,排序规则与GUID在.Net中规则一致;
  4. MySql数据未提供对GUID类型的支持,使用的是字符串的类型保存数据,使用是的char(36)类型,由于使用的是字符串类型,排序规则与GUID在.Net中的规则一致。

 

三、有序GUID

     有序GUID是有规则的生成GUID,保存在之后生成的GUID类型总是比之前的要大。不过在上一节中,已经提到过各个数据库对GUID支持不一样,而且排序的规则也不一样,所以我们需要为每一个数据库提供不一致的有序GUID生成规则。

     UuidCreateSequential函数

     我们都知道SQL Server数据库有一个NewSequentialId()函数,用于创建有序GUID。在创建表时,可以将它设置成为GUID类型字段的默认值,在插入新增数据时自动创建主键的值(该函数只能做为字段的默认值,不能直接在SQL中调用)。

     示例:

1 Create Table TestTable
2        (
3          ID UniqueIdentifier Not Null Default ( NewSequentialId() ) ,
4          Number Int
5        );

     NewSequentialId()函数只能在数据库使用,不过在 Microsoft 的 MSDN 文档中有说明,NEWSEQUENTIALID 是对 Windows UuidCreateSequential 函数的包装https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms189786(v=sql.120).aspx。这样我们可以在C#通过非托管方法调用:

 1 [System.Runtime.InteropServices.DllImport("rpcrt4.dll", SetLastError = true)]
 2    private static extern int UuidCreateSequential(out Guid guid);
 3 
 4    public static Guid NewSequentialGuid()
 5    {
 6        const int RPC_S_OK = 0;
 7 
 8        int result = UuidCreateSequential(out var guid);
 9        if (result != RPC_S_OK) {
10            throw new System.ComponentModel.Win32Exception(System.Runtime.InteropServices.Marshal.GetLastWin32Error());
11        }
12 
13        return guid;
14    }

     不这个方法也存在三个问题:

  1. 这个方法涉及到安全问题,UuidCreateSequential函数依赖的计算硬件,该方法的后12位其实是网卡的MAC地址。这是我电脑生成的一组有序GUID。

{A2A93393-C8DC-11E7-B133-2C56DC497A97}
{A2A93394-C8DC-11E7-B133-2C56DC497A97}
{A2A93395-C8DC-11E7-B133-2C56DC497A97}
{A2A93396-C8DC-11E7-B133-2C56DC497A97}
{A2A93397-C8DC-11E7-B133-2C56DC497A97}
{A2A93398-C8DC-11E7-B133-2C56DC497A97}
{A2A93399-C8DC-11E7-B133-2C56DC497A97}
{A2A9339A-C8DC-11E7-B133-2C56DC497A97}
{A2A9339B-C8DC-11E7-B133-2C56DC497A97}
{A2A9339C-C8DC-11E7-B133-2C56DC497A97}

     这是我电脑的网卡的MAC地址:

    

  1. 由于UuidCreateSequential函数生成的有序GUID中包括MAC地址,所以如果在服务器集群环境中,肯定存在一台服务器A上生成的有序GUID总比另一台服务器B生成要更小,服务器A产生的数据插入到数据库时,由于聚集索引的问题,总是会移动服务器B已经持久化到数据库中的数据。集群的服务器越多,产生的IO问题更严重。在服务器群集环境中,需要自行实现有序GUID。

  2. UuidCreateSequential函数生成的GUID规则与SQL Server中排序的规则存在不一致,这样仍然会导致严重的IO问题,所以需要将GUID重新排序后再持久化到数据库。例如上面列出生成的GUID列表,依次生成的数据可以看出,是第4位字节在自增长,在这与任何一个数据库的排序规则都不一致;关于该函数生成的规则,可以见此链接:https://stackoverflow.com/questions/5585307/sequential-guids

     下面的方法是将生成的GUID调整成为适合Sql Server使用的有序GUID(针对其它数据库支持,您可以按排序规则自行修改):

 1 [System.Runtime.InteropServices.DllImport("rpcrt4.dll", SetLastError = true)]
 2 static extern int UuidCreateSequential(byte[] buffer);
 3 
 4 static Guid NewSequentialGuid() {
 5 
 6     byte[] raw = new byte[16];
 7     if (UuidCreateSequential(raw) != 0)
 8         throw new System.ComponentModel.Win32Exception(System.Runtime.InteropServices.Marshal.GetLastWin32Error());
 9 
10     byte[] fix = new byte[16];
11 
12     // reverse 0..3
13     fix[0x0] = raw[0x3];
14     fix[0x1] = raw[0x2];
15     fix[0x2] = raw[0x1];
16     fix[0x3] = raw[0x0];
17 
18     // reverse 4 & 5
19     fix[0x4] = raw[0x5];
20     fix[0x5] = raw[0x4];
21 
22     //
                        

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