分布式系统：常见问题解决方案专题

weixin_48296576

已于 2025-01-10 17:58:57 修改

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文章标签： java spring cloud

于 2025-01-09 11:09:12 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_48296576/article/details/144914057

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专题一：分布式Id

分布式 ID 是什么？

分布式 ID 是一种在分布式系统中生成唯一标识符（ID）的方案，用于标识系统中各个实体（如用户、订单、商品等）。在分布式系统中，生成的 ID 需要具备全局唯一性和高效性。分布式 ID 通常用于数据库主键、消息队列标识、文件系统等场景中。

为什么使用分布式 ID？

分布式系统中，多个节点可能需要生成 ID，保证 ID 唯一性是一个关键问题。如果不采用合理的分布式 ID 生成机制，可能会导致冲突或重复的 ID，从而引发数据不一致、操作冲突等问题。分布式 ID 生成方案解决了以下几个问题：

全局唯一性：ID 在不同的机器、服务之间生成时必须确保全局唯一，避免重复。
高并发性能：分布式环境下，ID 生成需要支持高并发，避免成为系统的瓶颈。
去中心化：不依赖单一的中心节点生成 ID，避免单点故障和性能瓶颈。
时间有序：在某些场景中，ID 的生成顺序可能会对业务有一定要求。

分布式 ID 生成方案

目前有多种方案可以用于生成分布式 ID，下面是几种常见的实现方式：

方案一：UUID (通用唯一标识符)

UUID 是一种常见的 ID 生成方案，生成的 ID 长度通常为 128 位，具有全局唯一性。UUID 的特点是：

全局唯一性：UUID 使用算法确保在分布式环境下的唯一性。
不依赖于时间戳或者机器标识，生成方式完全独立。
存储和传输时需要较大的空间（32 字符的字符串，带有 4 个连字符）。

	String id = UUID.randomUUID().toString();
	// 5d1634ae-da40-43ec-9aad-f0e808a42886

方案二：数据库自增 ID

通过数据库的自增列生成 ID，适用于小规模的分布式系统，单台数据库服务器生成自增 ID，但是该方案的缺点是：

单点问题：如果数据库服务器出现故障，可能会导致 ID 生成不可用。
性能瓶颈：当并发量较高时，数据库可能成为性能瓶颈。
无法支持多节点：如果系统需要在多个节点上生成 ID，单一的数据库无法支持。

方案三：号段模式

号段模式的核心思想是，每个服务或每个节点从中心服务器申请一个 ID 号段（即一段连续的 ID），然后在本地生成 ID。当本地用完该号段时，再向中心服务器申请新的号段。这样，每个节点只需维护一个本地的计数器，并且可以通过持续请求号段来确保 ID 的唯一性。号段模式的特点：

高效性：生成 ID 的速度非常快，因为本地计数器递增，不涉及复杂的网络请求。
唯一性：每个服务都从中心服务申请独立的号段，因此 ID 在全局范围内是唯一的。
分布式支持：多个节点可以并行生成 ID，避免了中心化服务的瓶颈。
内存占用：每个节点都需要存储自己的号段和计数器，如果号段过大，可能会占用较多的内存。
号段耗尽问题：如果某个节点的号段用尽且无法及时从中心服务器获取新的号段，可能会出现 ID 重复或 ID 不可用的情况。

方案四：Snowflake (雪花算法)

Snowflake 是 Twitter 提出的分布式 ID 生成算法，生成的 ID 是一个 64 位的整数，具有全局唯一性和时间有序性。Snowflake 的 ID 结构如下：
在这里插入图片描述

专题二：分布式Session

分布式 Session 是什么？

分布式 Session 是指在分布式系统或集群环境中，将用户的会话数据（Session 数据）存储在一个共享、可访问的地方，而不是存储在单一的应用服务器或单个进程中。这样，无论用户请求被哪个应用服务器处理，都能访问到相同的会话数据，从而确保在分布式环境下，用户体验一致且不丢失会话信息。

为什么使用分布式 Session？

负载均衡：在分布式系统中，负载均衡器会将请求分发到不同的服务器节点上。如果每个服务器节点维护本地 Session，用户的请求可能会被路由到不同的节点，导致无法共享同一个 Session 数据。而使用分布式 Session，可以确保无论用户请求被哪个节点处理，都能访问到一致的会话数据。

可扩展性：随着应用的扩展，可能需要添加更多的服务器节点。如果每个节点都维护自己的 Session 数据，扩展会变得困难。而使用分布式 Session，可以通过共享存储来处理扩展，不需要对每个节点的 Session 进行迁移或同步。
高可用性：分布式 Session 通过集中存储，可以确保会话数据的高可用性。即使某个节点宕机，其他节点仍然可以从共享存储中读取会话数据，避免用户体验中断。
容错性：通过将 Session 数据存储在分布式存储系统（如 Redis）中，可以提供数据的冗余备份，从而增强系统的容错性。如果某个节点故障，Session 数据不会丢失，系统可以继续正常工作。

分布式 Session 的常见实现方案

方案一：Spring-Session

优点：数据持久化、易于管理、支持事务。
缺点：性能较低，相比于内存数据库，响应速度较慢，数据库可能成为瓶颈。

pom.xml

		<dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.session</groupId>
            <artifactId>spring-session-data-redis</artifactId>
        </dependency>

application.yml

spring:
  redis:
    host: 127.0.0.1
    port: 6379
  session:
    store-type: redis
    timeout: 3600
    redis:
      namespace: login_user

demo

	@GetMapping("/login")
    public String login(@RequestParam String username, @RequestParam String password, HttpSession session){
   
        //账号密码正确
        session.setAttribute("login_user", username);
        return "登录成功";
    }

    @GetMapping("/info")
    public String info(HttpSession session) {
   
        return "当前登录的是：" + session.getAttribute("login_user");
    }

方案二：Token + Redis

Redis 是一种高效的内存数据存储，它广泛用于存储 Session 数据，尤其适用于分布式应用。Redis 可以通过其高效的读写性能和数据共享功能，支持跨多个应用节点共享会话数据。

优点：高性能、低延迟、易于扩展，支持数据的自动过期。
缺点：数据可能会丢失（如果没有持久化），对内存要求较高。
pom.xml

		<dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.session</groupId>
            <artifactId>spring-session-data-redis</artifactId>
        </dependency>

application.yml

spring:
  redis:
    host: 127.0.0.1
    port: 6379

demo

 	@GetMapping("/loginWithToken")
    public String loginWithToken(@RequestParam String username, @RequestParam String password) {
   
        //账号密码正确
        String key = "token_" + UUID.randomUUID().toString();
        stringRedisTemplate.opsForValue().set(key, username, 3600, TimeUnit.SECONDS);
        return key;
    }

    @GetMapping("/infoWithToken")
    public String infoWithToken(@RequestHeader String token) {
   
        return "当前登录的是：" + stringRedisTemplate.opsForValue().get(token);
    }

方案三：JWT WEb Token（加密算法）

通过JWT（JSON Web Token）生成 Token 来标识会话。客户端存储 Session ID，服务器只需验证 Token 即可。

优点：无状态服务器，不需要额外的存储，简化了服务器端的会话管理。
缺点：适用于无状态认证，且 Token 易被篡改，需额外的安全机制。
pom.xml

		<dependency>
            <groupId>com.auth0</groupId>
            <artifactId>java-jwt</artifactId>
            <version>3.10.3</version>
        </dependency>

demo

	@GetMapping("/loginWithJwt")
    public String loginWithJwt(@RequestParam String username, @RequestParam String password) {
   
        Algorithm algorithm = Algorithm.HMAC256(JWT_KEY);
        String token = JWT.create()
                .withClaim("login_user", username)
                .withClaim(UID, 1)
                .withExpiresAt(new Date(System.currentTimeMillis()</