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主键id设计

news 来源：原创 2025/5/15 7:56:20

主键自增id

🌱 1. 自增 ID（Auto Increment ID）

✅ 特点：

• 数据库自带（MySQL, PostgreSQL 都支持）

• 简单易用，可读性强

• 一般作为主键自带聚簇索引（主键就是物理存储顺序）

❌ 缺点：

• 单点瓶颈（高并发环境中，写入需要锁定 ID 生成器）

• 不适合分布式（各节点之间 ID 容易冲突）

• 不适合高频写入（写热点集中，容易成为瓶颈）

• 易被推测业务量（连续的 ID 暴露增长速度）

👉 适合：单库/单实例系统，写入压力不大

🌟 什么是聚簇索引（Clustered Index）？

聚簇索引

将数据本身存储在索引结构中

✅ 索引结构本身就是数据结构，

✅ 数据行存储的物理顺序和索引的顺序一致。

•	普通索引：字典目录页里有词条和页码，真正的内容在其他页（跳转查找）
•	聚簇索引：目录页和内容页是同一页（词条和内容都在一起）

特性	说明
✅ 数据和索引一起存储	不需要二次跳转，查找快
✅ 按主键顺序存储数据	数据文件的物理顺序和主键一致
❌ 每个表只能有一个	因为数据只能按一个顺序存一次
✅ 范围查询效率高	按顺序扫，非常快
❌ 插入/更新主键成本高	因为要“挪位置”
❌ 不适合频繁插入中间位置	容易造成页分裂 + 碎片化

[B+Tree 索引结构]
          [50]
         /    \
     [30]     [70]
    /   \     /   \
  data  data data  data

UUID

🧊 2. UUID（通用唯一标识符）

✅ 特点：

• 全局唯一，不需要中心节点生成

• 可以离线生成、跨服务生成

• 不泄露业务信息

❌ 缺点：

• 太长（16字节/36字符）

• 不可读

• 无序 → 插入时会导致 索引树碎片化、页分裂

• 占用更多存储（主键 + 索引体积大）

👉 不建议直接作为主键，但可以用作全局唯一业务 ID。

雪花算法

❄️ 3. 雪花算法（Snowflake ID）

这是 Twitter 提出的经典 分布式唯一 ID 生成器，核心思想是：

[时间戳 41bit] + [机器ID 10bit] + [序列号 12bit]

✅ 优点：

• 基于时间，趋势递增，适合数据库主键

• 全局唯一

• 支持高并发（毫秒内可生成 4096 个）

❌ 缺点：

• 复杂度高，依赖机器时钟（时间回拨会导致重复 ID）

• 有生命周期限制（41bit 时间戳 ≈ 69.7 年）

👉 适合：中大型系统、分布式集群、高并发写入

UUIDv7

UUIDv7 是 UUID 的新标准（RFC 4122 bis），设计目标就是：

兼具 UUID 的全局唯一性 + 雪花 ID 的时间排序性！

✅ 优点：

• 基于时间戳（有序）

• 标准 UUID（仍是 128bit，兼容 UUID 系统）

• 兼顾分布式 + 插入性能 + 全局唯一性

❌ 缺点：

• 还比较新（2022 草案提出，语言/数据库支持不全）

• 时间戳精度有限（约等于毫秒级）

时间驱动的有序 UUID

• UUIDv7 的前缀部分是毫秒级时间戳（48 bit）

• 自然趋势递增、有序

• 是标准 UUID 格式（128 bit，全局唯一）

• 可以被当作主键使用（兼顾唯一性和排序）

PostgreSQL 内置有原生的 uuid 类型，用这个就够了，而且空间更优：

CREATE TABLE my_table (
    id UUID PRIMARY KEY DEFAULT gen_random_uuid(), -- 替换成你自己的 UUIDv7 生成函数
    ...
);

✅ 原生 UUID 类型：

• 占用 16 字节（128 bit）

• 自动支持索引、排序、比较

• 比 varchar 更节省空间 & 更快

❓2. UUIDv7 插入性能会不会比自增 ID 差？

✅

不会差，反而可以接近持平

UUIDv7 的核心优势就是顺序递增，所以：

• 它生成的值在索引 B+Tree 中的插入是**“顺序插入”** → 极大减少页分裂

• 对比 UUIDv4 的“随机插入”性能好很多

• 和自增 ID 差不多，甚至在分布式场景中还更优（无中心）

❓3. 如果查询按时间来，UUIDv7 的时间前缀能不能用作范围查询？

SELECT * FROM orders
WHERE id >= '018f2d45-...'
  AND id <  '018f2d60-...';

• 如果你使用 WHERE create_time BETWEEN … 也是一样能走索引

• 所以如果查询场景大量是按时间的，加上 create_time 索引是非常合理的

不过如果你已经用了 UUIDv7，而且仅用它做主键并且查询就是时间序排序，那你甚至可以不用额外建 create_time 索引。

🧠 所有 UUID（v1～v8）长度都是固定的：

• 128 bit（16 字节）

• 通常表示为 36 个字符的字符串（带连字符）：8-4-4-4-12 格式

018f2d62-89a7-7b7b-bd5e-bb2d1294f4d3

UUIDv7 开头 48bit 是毫秒级时间戳，所以生成的 UUID 会“大概率保持有序”，也就是**“趋势递增”**。

这就意味着：

• 插入顺序不会很跳跃 → B+Tree 索引结构能高效维护

• 不容易发生“页分裂” → 插入性能稳定

• 如果你建主键索引（或者唯一索引），性能接近自增 ID

剖析UUIDv7

UUIDv7 的前缀有序、后缀看似“乱序”

| 48 bits  | 4 bits | 12 bits | 62 bits       |
|----------|--------|---------|----------------|
| Unix毫秒时间戳 | version=7 |随机 |更多随机数（熵）|

0195d31a-ff35-7509-80e7-4e4ff946e34d
 ↑      ↑     ↑    ↑     ↑
 |      |     |    |     └─ node/random 数据
 |      |     |    └────── variant 标记（高2位固定）
 |      |     └────────── version 字段 (v7 = 0111)
 |      └───────────────── 高位时间戳后段
 └──────────────────────── 时间戳高位（48 bit）

✅ 时间有序，后缀随机，是有意为之！

• ✅ 前 48 位毫秒时间戳 → 实现整体趋势递增

• ✅ 中间部分固定结构 → version 和 variant

• ✅ 尾部是随机数 → 解决同一毫秒内并发插入冲突（保证唯一性）

时间戳一样的时候，后面的部分是随机的，可能会出现“索引跳插”，这是不是影响性能？

插入场景	行为	对 B+ Tree 影响
时间不同	UUID整体递增	插入顺序完美，性能最佳
同一毫秒内多并发插入	前缀相同，尾部无序	局部跳插（叶子节点）但不分裂，影响极小
高并发压力下	UUIDv7 相比 UUIDv4 更稳定	更接近“顺序插入”，写性能好很多

🧪 举例解释一下：

假设你当前叶子节点能容纳 100 个 UUID，结果你同一毫秒内来了 50 条记录：

• 它们前 48 bit 一样，后面是随机的 → 插入同一页的不同位置

• B+ 树排序时这些 UUID 会“局部乱序插入”

• 但总体页不会立即分裂 → 插入性能稳定

• 等下一毫秒，下一批 UUID 有新时间戳 → 再进新页

UUIDv7 是一种“

局部无序的有序 ID

不会像 UUIDv4 那样完全乱插导致频繁页分裂

🔚 最终建议总结（含金量超高！）

• ✅ UUIDv7 的“有序 + 唯一”组合，适合作为数据库主键

• ✅ 对 PostgreSQL 而言，使用 UUIDv7 的插入性能 接近自增 ID

• ✅ 不影响索引性能，不必担心页分裂频繁

• ✅ 同一毫秒内的乱序可忽略（除非你 1ms 插入 10000+ 条数据）

• ✅ 若需要精确时间筛选，仍建议保留 create_time 字段 + 索引

✅ PostgreSQL 中的 uuid 类型：

• 占用 16 字节

• 使用原生格式存储（不是字符串！）

• 内部用二进制比较，不需要解析字符串 → 效率比 varchar 快很多

🔍 那 bigint 呢？

✅ bigint 是

64 bit（8 字节）

PostgreSQL 的 bigint（也叫 int8）：

• 占用 8 字节

• 存储范围是 -2^63 ~ 2^63 - 1

• 通常用于自增主键（serial8, bigserial）

如果你在 PostgreSQL 中使用原生的 uuid 类型，它天然支持带连字符（-）的标准 UUID 格式，包括 UUIDv7，你可以直接存，也可以直接查！

INSERT INTO users (id, name)
VALUES ('0195d31a-ff35-7509-80e7-4e4ff946e34d', 'Alice');

但是：推荐使用带 - 的标准格式，更可读、兼容性好、调试更方便。

四个对比

特性	自增 ID	UUID	雪花 ID	UUIDv7
唯一性	单库唯一	全局唯一	全局唯一	全局唯一
顺序性	有序	无序	趋势递增	有序
可读性	强	弱	一般	一般
性能	快	差	快	快
分布式支持	差	好	好	好
作为主键插入效率	高	低	高	高
标准化支持	是	是	否（私有实现）	是（UUIDv7）
生命周期限制	无	无	~70年	~20万年