SnowFlake 雪花算法实现以及详解

谁践踏了优雅 2024-03-16 21:15 54阅读 0赞

#### **背景简介** ####

1.  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。
2.  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？
3.  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。
4.  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。
5.  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。
6.  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 1·41·10·12 ####

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

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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

#### 算法实现代码 ####

package util;
     
    import java.util.Date;
     
    /**
     * @ClassName: SnowFlakeUtil
     * @Author: jiaoxian
     * @Date: 2022/4/24 16:34
     * @Description:
     */
    public class SnowFlakeUtil {
     
        private static SnowFlakeUtil snowFlakeUtil;
        static {
            snowFlakeUtil = new SnowFlakeUtil();
        }
     
        // 初始时间戳(纪年)，可用雪花算法服务上线时间戳的值
        // 1650789964886：2022-04-24 16:45:59
        private static final long INIT_EPOCH = 1650789964886L;
     
        // 时间位取&
        private static final long TIME_BIT = 0b1111111111111111111111111111111111111111110000000000000000000000L;
     
        // 记录最后使用的毫秒时间戳，主要用于判断是否同一毫秒，以及用于服务器时钟回拨判断
        private long lastTimeMillis = -1L;
     
        // dataCenterId占用的位数
        private static final long DATA_CENTER_ID_BITS = 5L;
     
        // dataCenterId占用5个比特位，最大值31
        // 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000011111
        private static final long MAX_DATA_CENTER_ID = ~(-1L << DATA_CENTER_ID_BITS);
     
        // dataCenterId
        private long dataCenterId;
     
        // workId占用的位数
        private static final long WORKER_ID_BITS = 5L;
     
        // workId占用5个比特位，最大值31
        // 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000011111
        private static final long MAX_WORKER_ID = ~(-1L << WORKER_ID_BITS);
     
        // workId
        private long workerId;
     
        // 最后12位，代表每毫秒内可产生最大序列号，即 2^12 - 1 = 4095
        private static final long SEQUENCE_BITS = 12L;
     
        // 掩码（最低12位为1，高位都为0），主要用于与自增后的序列号进行位与，如果值为0，则代表自增后的序列号超过了4095
        // 0000000000000000000000000000000000000000000000000000111111111111
        private static final long SEQUENCE_MASK = ~(-1L << SEQUENCE_BITS);
     
        // 同一毫秒内的最新序号，最大值可为 2^12 - 1 = 4095
        private long sequence;
     
        // workId位需要左移的位数 12
        private static final long WORK_ID_SHIFT = SEQUENCE_BITS;
     
        // dataCenterId位需要左移的位数 12+5
        private static final long DATA_CENTER_ID_SHIFT = SEQUENCE_BITS + WORKER_ID_BITS;
     
        // 时间戳需要左移的位数 12+5+5
        private static final long TIMESTAMP_SHIFT = SEQUENCE_BITS + WORKER_ID_BITS + DATA_CENTER_ID_BITS;
     
        /**
         * 无参构造
         */
        public SnowFlakeUtil() {
            this(1, 1);
        }
     
        /**
         * 有参构造
         * @param dataCenterId
         * @param workerId
         */
        public SnowFlakeUtil(long dataCenterId, long workerId) {
            // 检查dataCenterId的合法值
            if (dataCenterId < 0 || dataCenterId > MAX_DATA_CENTER_ID) {
                throw new IllegalArgumentException(
                        String.format("dataCenterId 值必须大于 0 并且小于 %d", MAX_DATA_CENTER_ID));
            }
            // 检查workId的合法值
            if (workerId < 0 || workerId > MAX_WORKER_ID) {
                throw new IllegalArgumentException(String.format("workId 值必须大于 0 并且小于 %d", MAX_WORKER_ID));
            }
            this.workerId = workerId;
            this.dataCenterId = dataCenterId;
        }
     
        /**
         * 获取唯一ID
         * @return
         */
        public static Long getSnowFlakeId() {
            return snowFlakeUtil.nextId();
        }
     
        /**
         * 通过雪花算法生成下一个id，注意这里使用synchronized同步
         * @return 唯一id
         */
        public synchronized long nextId() {
            long currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();
            System.out.println(currentTimeMillis);
            // 当前时间小于上一次生成id使用的时间，可能出现服务器时钟回拨问题
            if (currentTimeMillis < lastTimeMillis) {
                throw new RuntimeException(
                        String.format("可能出现服务器时钟回拨问题，请检查服务器时间。当前服务器时间戳：%d，上一次使用时间戳：%d", currentTimeMillis,
                                lastTimeMillis));
            }
            if (currentTimeMillis == lastTimeMillis) {
                // 还是在同一毫秒内，则将序列号递增1，序列号最大值为4095
                // 序列号的最大值是4095，使用掩码（最低12位为1，高位都为0）进行位与运行后如果值为0，则自增后的序列号超过了4095
                // 那么就使用新的时间戳
                sequence = (sequence + 1) & SEQUENCE_MASK;
                if (sequence == 0) {
                    currentTimeMillis = getNextMillis(lastTimeMillis);
                }
            } else { // 不在同一毫秒内，则序列号重新从0开始，序列号最大值为4095
                sequence = 0;
            }
            // 记录最后一次使用的毫秒时间戳
            lastTimeMillis = currentTimeMillis;
            // 核心算法，将不同部分的数值移动到指定的位置，然后进行或运行
            // <<：左移运算符, 1 << 2 即将二进制的 1 扩大 2^2 倍
            // |：位或运算符, 是把某两个数中, 只要其中一个的某一位为1, 则结果的该位就为1
            // 优先级：<< > |
            return
                    // 时间戳部分
                    ((currentTimeMillis - INIT_EPOCH) << TIMESTAMP_SHIFT)
                    // 数据中心部分
                    | (dataCenterId << DATA_CENTER_ID_SHIFT)
                    // 机器表示部分
                    | (workerId << WORK_ID_SHIFT)
                    // 序列号部分
                    | sequence;
        }
     
        /**
         * 获取指定时间戳的接下来的时间戳，也可以说是下一毫秒
         * @param lastTimeMillis 指定毫秒时间戳
         * @return 时间戳
         */
        private long getNextMillis(long lastTimeMillis) {
            long currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();
            while (currentTimeMillis <= lastTimeMillis) {
                currentTimeMillis = System.currentTimeMillis();
            }
            return currentTimeMillis;
        }
     
        /**
         * 获取随机字符串,length=13
         * @return
         */
        public static String getRandomStr() {
            return Long.toString(getSnowFlakeId(), Character.MAX_RADIX);
        }
     
        /**
         * 从ID中获取时间
         * @param id 由此类生成的ID
         * @return
         */
        public static Date getTimeBySnowFlakeId(long id) {
            return new Date(((TIME_BIT & id) >> 22) + INIT_EPOCH);
        }
     
        public static void main(String[] args) {
            SnowFlakeUtil snowFlakeUtil = new SnowFlakeUtil();
            long id = snowFlakeUtil.nextId();
            System.out.println(id);
            Date date = SnowFlakeUtil.getTimeBySnowFlakeId(id);
            System.out.println(date);
            long time = date.getTime();
            System.out.println(time);
            System.out.println(getRandomStr());
     
        }
     
    }

#### 算法优缺点 ####

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

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

#### 注意事项 ####

> 1.  其实雪花算法每一部分占用的比特位数量并不是固定死的。例如你的业务可能达不到 69 年之久，那么可用减少时间戳占用的位数，雪花算法服务需要部署的节点超过1024 台，那么可将减少的位数补充给机器码用。
> 2.  注意，雪花算法中 41 位比特位不是直接用来存储当前服务器毫秒时间戳的，而是需要当前服务器时间戳减去某一个初始时间戳值，一般可以使用服务上线时间作为初始时间戳值。
> 3.  对于机器码，可根据自身情况做调整，例如机房号，服务器号，业务号，机器 IP 等都是可使用的。对于部署的不同雪花算法服务中，最后计算出来的机器码能区分开来即可

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