雪花算法

雪花算法

简介

现在的服务基本是分布式、微服务形式的，而且大数据量也导致分库分表的产生，对于水平分表就需要保证表中 id 的全局唯一性。

对于 MySQL 而言，一个表中的主键 id 一般使用自增的方式，但是如果进行水平分表之后，多个表中会生成重复的 id 值。那么如何保证水平分表后的多张表中的 id 是全局唯一性的呢？

如果还是借助数据库主键自增的形式，那么可以让不同表初始化一个不同的初始值，然后按指定的步长进行自增。例如有3张拆分表，初始主键值为1，2，3，自增步长为3。

当然也有人使用 UUID 来作为主键，但是 UUID 生成的是一个无序的字符串，对于 MySQL 推荐使用增长的数值类型值作为主键来说不适合。

也可以使用 Redis 的自增原子性来生成唯一 id，但是这种方式业内比较少用。

当然还有其他解决方案，不同互联网公司也有自己内部的实现方案。雪花算法是其中一个用于解决分布式 id 的高效方案，也是许多互联网公司在推荐使用的。

SnowFlake 雪花算法

SnowFlake 中文意思为雪花，故称为雪花算法。最早是 Twitter 公司在其内部用于分布式环境下生成唯一 ID。在2014年开源 ​​scala​​ 语言版本。

雪花算法的原理就是生成一个的 64 位比特位的 long 类型的唯一 id。

最高 1 位固定值 0，因为生成的 id 是正整数，如果是 1 就是负数了。

接下来 41 位存储毫秒级时间戳，2^41/(1000*60*60*24*365)=69，大概可以使用 69 年。

再接下 10 位存储机器码，包括 5 位 datacenterId 和 5 位 workerId。最多可以部署 2^10=1024 台机器。

最后 12 位存储序列号。同一毫秒时间戳时，通过这个递增的序列号来区分。即对于同一台机器而言，同一毫秒时间戳下，可以生成 2^12=4096 个不重复 id。

可以将雪花算法作为一个单独的服务进行部署，然后需要全局唯一 id 的系统，请求雪花算法服务获取 id 即可。

对于每一个雪花算法服务，需要先指定 10 位的机器码，这个根据自身业务进行设定即可。例如机房号+机器号，机器号+服务号，或者是其他可区别标识的 10 位比特位的整数值都行。

算法实现

/** *

名称：IdWorker.java

*

描述：分布式自增长ID

*

 *     Twitter的 Snowflake　JAVA实现方案 * 

* 核心代码为其IdWorker这个类实现，其原理结构如下，我分别用一个0表示一位，用—分割开部分的作用： * 1||0---0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0 --- 00000 ---00000 ---000000000000 * 在上面的字符串中，第一位为未使用（实际上也可作为long的符号位），接下来的41位为毫秒级时间， * 然后5位datacenter标识位，5位机器ID（并不算标识符，实际是为线程标识）， * 然后12位该毫秒内的当前毫秒内的计数，加起来刚好64位，为一个Long型。 * 这样的好处是，整体上按照时间自增排序，并且整个分布式系统内不会产生ID碰撞（由datacenter和机器ID作区分）， * 并且效率较高，经测试，snowflake每秒能够产生26万ID左右，完全满足需要。 *

* 64位ID (42(毫秒)+5(机器ID)+5(业务编码)+12(重复累加)) * * @author Polim */public class IdWorker { // 时间起始标记点，作为基准，一般取系统的最近时间（一旦确定不能变动） private final static long twepoch = 1288834974657L; // 机器标识位数 private final static long workerIdBits = 5L; // 数据中心标识位数 private final static long datacenterIdBits = 5L; // 机器ID最大值 private final static long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits); // 数据中心ID最大值 private final static long maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits); // 毫秒内自增位 private final static long sequenceBits = 12L; // 机器ID偏左移12位 private final static long workerIdShift = sequenceBits; // 数据中心ID左移17位 private final static long datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits; // 时间毫秒左移22位 private final static long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits; private final static long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits); /* 上次生产id时间戳 */ private static long lastTimestamp = -1L; // 0，并发控制 private long sequence = 0L; private final long workerId; // 数据标识id部分 private final long datacenterId; public IdWorker(){ this.datacenterId = getDatacenterId(maxDatacenterId); this.workerId = getMaxWorkerId(datacenterId, maxWorkerId); } /** * @param workerId * 工作机器ID * @param datacenterId * 序列号 */ public IdWorker(long workerId, long datacenterId) { if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0) { throw new IllegalArgumentException(String.format("worker Id can't be greater than %d or less than 0", maxWorkerId)); } if (datacenterId > maxDatacenterId || datacenterId < 0) { throw new IllegalArgumentException(String.format("datacenter Id can't be greater than %d or less than 0", maxDatacenterId)); } this.workerId = workerId; this.datacenterId = datacenterId; } /** * 获取下一个ID * * @return */ public synchronized long nextId() { long timestamp = timeGen(); if (timestamp < lastTimestamp) { throw new RuntimeException(String.format("Clock moved backwards. Refusing to generate id for %d milliseconds", lastTimestamp - timestamp)); } if (lastTimestamp == timestamp) { // 当前毫秒内，则+1 sequence = (sequence + 1) & sequenceMask; if (sequence == 0) { // 当前毫秒内计数满了，则等待下一秒 timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp); } } else { sequence = 0L; } lastTimestamp = timestamp; // ID偏移组合生成最终的ID，并返回ID long nextId = ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) | (datacenterId << datacenterIdShift) | (workerId << workerIdShift) | sequence; return nextId; } private long tilNextMillis(final long lastTimestamp) { long timestamp = this.timeGen(); while (timestamp <= lastTimestamp) { timestamp = this.timeGen(); } return timestamp; } private long timeGen() { return System.currentTimeMillis(); } /** *

* 获取 maxWorkerId *

*/ protected static long getMaxWorkerId(long datacenterId, long maxWorkerId) { StringBuffer mpid = new StringBuffer(); mpid.append(datacenterId); String name = ManagementFactory.getRuntimeMXBean().getName(); if (!name.isEmpty()) { /* * GET jvmPid */ mpid.append(name.split("@")[0]); } /* * MAC + PID 的 hashcode 获取16个低位 */ return (mpid.toString().hashCode() & 0xffff) % (maxWorkerId + 1); } /** *

* 数据标识id部分 *

*/ protected static long getDatacenterId(long maxDatacenterId) { long id = 0L; try { InetAddress ip = InetAddress.getLocalHost(); NetworkInterface network = NetworkInterface.getByInetAddress(ip); if (network == null) { id = 1L; } else { byte[] mac = network.getHardwareAddress(); id = ((0x000000FF & (long) mac[mac.length - 1]) | (0x0000FF00 & (((long) mac[mac.length - 2]) << 8))) >> 6; id = id % (maxDatacenterId + 1); } } catch (Exception e) { System.out.println(" getDatacenterId: " + e.getMessage()); } return id; } public static void main(String[] args) { IdWorker idWorker = new IdWorker(0,0); for (int i = 0; i <10000; i++) { long nextId=idWorker.nextId(); System.out.println(nextId); } }}

算法优缺点

雪花算法有以下几个优点：

高并发分布式环境下生成不重复 id，每秒可生成百万个不重复 id。

基于时间戳，以及同一时间戳下序列号自增，基本保证 id 有序递增。

不依赖第三方库或者中间件。

算法简单，在内存中进行，效率高。

雪花算法有如下缺点：

依赖服务器时间，服务器时钟回拨时可能会生成重复 id。算法中可通过记录最后一个生成 id 时的时间戳来解决，每次生成 id 之前比较当前服务器时钟是否被回拨，避免生成重复 id。

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