AliSQL开源Sequence Engine
Introduction
单调递增的唯一值，是在持久化数据库系统中常见的需求，无论是单节点中的业务主键，还是分布式系统中的全局唯一值，亦或是多系统中的幂等控制。不同的数据库系统有不同的实现方法，比如MySQL提供的AUTO_INCREMENT，Oracle，SQL Server提供SEQUENCE等。
在MySQL数据库中，如果业务系统希望封装唯一值，比如增加日期，用户等信息，AUTO_INCREMENT的方法会带来很大的不便，在实际的系统设计的时候, 也存在不同的折中方法，比如：
- 序列值由Application或者Proxy来生成，不过弊端很明显，状态带到应用端，增加了扩容和缩容的复杂度。
- 序列值由数据库通过模拟的表来生成，但需要中间件来封装和简化获取唯一值的逻辑。
AliSQL自主实现了SEQUENCE ENGINE，通过引擎的设计方法，尽可能的兼容其他数据库的使用方法，简化获取序列值复杂度。
Github开源地址：https://github.com/alibaba/AliSQL
Description
AliSQL开源的SEQUENCE，实现了MySQL存储引擎的设计接口，但底层的数据仍然使用现有的存储引擎，比如InnoDB或者MyISAM来保存持久化数据，以便尽可能的保证现有的外围工具比如XtraBackup等工具的兼容，所以SEQUENCE ENGINE仅仅是一个逻辑引擎。
对sequence对象的访问通过SEQUENCE handler接口，这一层逻辑引擎主要实现NEXTVAL的滚动，CACHE的管理等，最后透传给底层的基表数据引擎，实现最终的数据访问。
下面我们透过语法来看下AliSQL SEQUENCE的使用。
Syntax
1. CREATE SEQUENCE Syntax:
CREATE SEQUENCE [IF NOT EXISTS] schema.sequence_name
[START WITH <constant>]
[MINVALUE <constant>]
[MAXVALUE <constant>]
[INCREMENT BY <constant>]
[CACHE <constant> | NOCACHE]
[CYCLE | NOCYCLE]
;SEQUENCE OPTIONS:
- START
Sequence的起始值 - MINVALUE
Sequence的最小值，如果这一轮结束并且是cycle的，那么下一轮将从MINVALUE开始 - MAXVALUE
Sequence的最大值，如果到最大值并且是nocycle的，那么将会得到以下报错：
ERROR HY000: Sequence 'db.seq' has been run out.
- INCREMENT BY
Sequence的步长 - CACHE/NOCACHE
Cache的大小，为了性能考虑，可以设置cache的size比较大，但如果遇到实例重启，cache内的值会丢失 - CYCLE/NOCYCLE
表示sequence如果用完了后，是否允许从MINVALUE重新开始
例如：
create sequence s
start with 1
minvalue 1
maxvalue 9999999
increment by 1
cache 20
cycle;2. SHOW SEQUENCE Syntax
SHOW CREATE [TABLE|SEQUENCE] schema.sequence_name;
CREATE SEQUENCE schema.sequence_name (
`currval` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'current value',
`nextval` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'next value',
`minvalue` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'min value',
`maxvalue` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'max value',
`start` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'start value',
`increment` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'increment value',
`cache` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'cache size',
`cycle` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'cycle state',
`round` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'already how many round'
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=latin1由于SEQUENCE是通过真正的引擎表来保存的，所以SHOW COMMAND看到仍然是engine table。
3. QUERY STATEMENT Syntax
SELECT [NEXTVAL | CURRVAL | *] FROM schema.sequence_name;
SELECT [NEXTVAL | CURRVAL | *] FOR schema.sequence_name;这里支持两种访问方式，FROM和FOR：
- FROM clause: 兼容正常的SELECT查询语句，返回的结果是基表的数据，不迭代NEXTVAL。
- FOR clause：兼容SQL Server的方法，返回的结果是迭代后NEXTVAL的值。
mysql> select * from s;
+---------+---------+----------+---------------------+-------+-----------+-------+-------+-------+
| currval | nextval | minvalue | maxvalue | start | increment | cache | cycle | round |
+---------+---------+----------+---------------------+-------+-----------+-------+-------+-------+
| 0 | 30004 | 1 | 9223372036854775807 | 1 | 1 | 10000 | 0 | 0 |
+---------+---------+----------+---------------------+-------+-----------+-------+-------+-------+
1 row in set (0.00 sec)
mysql> select * for s;
+---------+---------+----------+---------------------+-------+-----------+-------+-------+-------+
| currval | nextval | minvalue | maxvalue | start | increment | cache | cycle | round |
+---------+---------+----------+---------------------+-------+-----------+-------+-------+-------+
| 0 | 20014 | 1 | 9223372036854775807 | 1 | 1 | 10000 | 0 | 0 |
+---------+---------+----------+---------------------+-------+-----------+-------+-------+-------+4. 兼容性
因为要兼容MYSQLDUMP的备份方式，所以支持另外一种CREATE SEQUENCE方法，即：通过创建SEQUENCE表和INSERT一行初始记录的方式, 比如：
CREATE SEQUENCE schema.sequence_name (
`currval` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'current value',
`nextval` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'next value',
`minvalue` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'min value',
`maxvalue` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'max value',
`start` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'start value',
`increment` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'increment value',
`cache` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'cache size',
`cycle` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'cycle state',
`round` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'already how many round'
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=latin1
INSERT INTO schema.sequence_name VALUES(0,0,1,9223372036854775807,1,1,10000,1,0);
COMMIT;但强烈建议使用native的CREATE SEQUENCE方法。
5. 语法限制
- Sequence不支持subquery和join
- FOR clause只支持sequence表，普通引擎表不支持
- 可以使用SHOW CREATE TABLE或者SHOW CREATE SEQUENCE来访问SEQUENCE结构，但不能使用SHOW CREATE SEQUENCE访问普通表
- 不支持CREATE TABLE的时候指定SEQUENCE引擎，sequence表只能通过CREATE SEQUENCE的语法来创建
High level architecture
1. Sequence initialization
Sequence对象的创建，会转化成拥有固定[CURRVAL, NEXTVAL, MINVALUE, MAXVALUE, START, INCREMENT, CACHE, CYCLE, ROUND]这9个字段的引擎表，并根据CREATE SEQUENCE clause的定义，初始化了一条数据，所以sequence对象实质上是拥有一条记录的存储引擎表，SLAVE复制的BINLOG使用CREATE SEQUENCE ...语句生成的QUERY EVENT来完成。
2. Sequence interface
SEQUENCE handler实现了一部分的handler interface，并定义了两个重要的属性，SEQUENCE_SHARE和BASE_TABLE_FILE，SEQUENCE_SHARE保存着共享的sequence对象属性和CACHE的值，NEXTVAL的值首先从cache中获取，只有在cache使用完了，才会查询基表。
BASE_TABLE_FILE是基表的handler，对持久化的数据的访问和修改，都通过BASE_TABLE_FILE handler进行访问。
3. Sequence cache
Sequence对象的CACHE值保存在SEQUENCE_SHARE中，使用SEQUENCE_SHARE::MUTEX进行保护，所有对cache的访问是串行的。比如cache size是20，那么SEQUENCE_SHARE中只是保存一个cache_end值，当访问的NEXTVAL到了cache_end，就会从基表中获取下一个batch放到cache中。NEXTVAL根据INCREMENT BY设置的步长进行迭代。
4. Sequence update
当cache用完了之后，会从基表中获取下一个batch，这样会更新基表中的记录，查询会转化成更新语句，
其更新的主要步骤如下:
- 升级SEQUENCE的MDL_SHARE_READ METADATA LOCK 到 MDL_SHARE_WRITE级别
- 持有GLOBAL MDL_INTENSIVE_EXCLUSIVE METADATA LOCK
- 开启AUTONOMOUS TRANSACTION
- 更新记录并生成BINLOG EVENT
- 持有COMMIT METADATA LOCK
- XA提交AUTONOMOUS TRANSACTION 并释放MDL锁
5. Autonomous transaction
因为nextval不支持ROLLBACK重用，所以必须重启一个自治事务来脱离事务上下文，
其步骤如下：
- 备份当前基表引擎的事务上下文
- 备份当前BINLOG引擎的上下文
- SEQUENCE和BINLOG分别注册AUTONOMOUS TRANSACTION
- 等更新完成，XA提交AUTONOMOUS TRANSACTION
- 还原当前事务上下文
6. Sequence read only
因为SEQUENCE的SELECT语句会转换成UPDATE语句，所以SELECT NEXTVAL FOR s statement须持有 MDL_SHARE_WRITE 和 GLOBAL MDL_INTENSIVE_EXCLUSIVE METADATA LOCK 进行，以便在READ ONLY的时候，阻塞对sequence对象的访问。
7. Skip cache
这里指两种CACHE:
- 一种是SEQUENCE的CACHE，可以使用
SELECT NEXTVAL FORM Sequence_name来skip。 - 另外一种是QUERY CACHE，所有的SEQUENCE都设置了不支持QUERY CACHE，这样避免由于QUERY CACHE导致NEXTVAL没有迭代。
8. Sequence backup
由于SEQUENCE是通过真正的引擎表来保存的，所以类似XtraBackup这样的物理备份可以直接使用，而类似于MYSQLDUMP这样的逻辑备份，SEQUENCE会备份成CREATE SEQUENCE语句和INSERT语句的组合来完成。
Next Release
本次开源了部分功能，下一次release将继续开源SEQUENCE的部分功能：
- 支持CURRVAL的访问，CURRVAL表示当前session的上一次的NEXTVAL访问的值。
- 兼容更多数据库的访问方法，比如：
Oracle Syntax:
SELECT sequence_name.nextval FROM DUAL;
PostgreSQL Syntax:
nextval(regclass);
currval(regclass);
setval(regclass, bigint);Usage Scenario
1. 更具有业务含义的主键设计 .
例如：[八位日期 + 四位USER ID + sequence_number]的流水业务单据号的设计格式，可以通过SELECT NEXTVAL FOR Sequence和应用封装的方式实现，相比较无意义的id数字，这种格式会带来几个优势：
- 保持和时间同步的有序性，有利于数据的归档，比如可以直接使用这种ID来进行按日/月/年RANGE分区, 无缝使用MySQL的partition特性
- 增加USER的id信息，可以作为天然的分库分表逻辑位， 提升数据节点可扩展性
- 保持数字的有序性，保证InnoDB这种聚簇索引表的插入性能稳定
业界目前采用的设计方法：
- Booking使用了AUTO_INCREMENT的方法， 先插入一个无业务含义的数字，然后使用last_insert_id()方法获取ID值，最后在业务逻辑中使用这个ID值。 其劣势就是必须先插入，并没有办法再修改这个无业务含义的id。
- Twitter采用了另外一种格式，[41 bits timestamp + 10 bits configured machine ID + 12 bits sequence number], sequence number的生成机制没有透露，machine ID的的设计，使用Zookeeper来管理的machine ID或者机器的MAC address。
- UUID的方法，这种方式生成了一个随机的唯一值，严重影响了插入的性能，并且增大了索引大小，降低了命中率，没有任何优势。
2. 分布式节点的唯一值设计
分布式SEQUENCE生成:
- 可以为每一个节点设计sequence，比如为每个节点设计不同的INCREMENT BY步长来达到MySQL AUTO_INCREMENT中，设置auto_increment_increment和auto_increment_offset的效果，但相比较auto increment的全局配置，并且保存在my.cnf中的方法，SEQUENCE可以把这些配置当做sequence对象的属性持久化保存下来，优势明显。但不推荐使用这种方法来设计唯一值，会给运维留下不少坑。
- 使用类似twitter的方法，每一个节点上创建sequence，然后增加节点信息到sequence number中，生成唯一值。
集中式SEQUENCE生成:
- 对于分布式节点中的ID需求，使用独立的集中式的sequence服务来生成，但如果要保证持续可用，sequence服务仍然需要设计成多节点的，比如Flickr的Ticket Servers设计：
Sequence服务节点上创建Ticket表：
CREATE TABLE `Tickets64` (
`id` bigint(20) unsigned NOT NULL auto_increment,
`stub` char(1) NOT NULL default '',
PRIMARY KEY (`id`),
UNIQUE KEY `stub` (`stub`)
) ENGINE=MyISAM
+-------------------+------+
| id | stub |
+-------------------+------+
| 72157623227190423 | a |
+-------------------+------+使用以下语句，生成ID值：
REPLACE INTO Tickets64 (stub) VALUES ('a');
SELECT LAST_INSERT_ID();因为PHOTOS，COMMENTS，FAVORITES，TAGS都需要ID, 所以会建不同的ticket表来完成，为了保持持续可用，采用了：
TicketServer1:
auto-increment-increment = 2
auto-increment-offset = 1
TicketServer2:
auto-increment-increment = 2
auto-increment-offset = 2来保证高可用。
如果使用sequence对象，可以大大简化ID的获取逻辑，并更加安全。
