雪花算法详解

╰半橙微兮° 2024-03-22 16:09 63阅读 0赞

## 1. 雪花算法概念 ##

雪花算法（Snowflake）是一种生成唯一ID的算法，主要应用于分布式系统中。它可以在不依赖于数据库等其他存储设施的情况下，生成全局唯一的ID。

雪花算法生成的ID为64位整数，具体的格式如下：

`0 | 0000000000 0000000000 0000000000 000000000 | 00000 | 00000 | 000000000000`  
其中，第1位为符号位，固定为0；接下来的41位为时间戳（毫秒级），记录了生成ID的时间；然后是10位的机器ID，5位数据中心ID和5位工作机器ID，用于标识不同的机器；最后是12位的序列号，用于表示在同一毫秒内生成的多个ID的顺序。

实际使用时，每台机器需要配置一个唯一的机器ID，以保证生成的ID不与其他机器生成的ID重复。同时，需要注意时钟回拨的问题，即当本地时钟发生回拨时，可能会导致生成的ID出现重复或者乱序的情况。

雪花算法是一种简单高效的分布式ID生成算法，可以满足大多数分布式系统生成唯一ID的需求。

### 1雪花算法的缺点 ###

由于Snowflake算法生成的ID包含时间戳等信息，因此在使用时需要保证系统时间的准确性。如果系统时间发生回拨或者误差较大，可能会导致生成的ID出现重复或者乱序的问题。

## 2. springboot中使用雪花算法 ##

### 2.1. 添加依赖 ###

<dependency>
       <groupId>com.fasterxml.uuid</groupId>
       <artifactId>java-uuid-generator</artifactId>
       <version>4.0.0</version>
    </dependency>

### 2.2.创建Snowflake ID生成器类 ###

import com.fasterxml.uuid.Generators;
    import org.springframework.stereotype.Component;
    
    @Component
    public class SnowflakeIdGenerator {
        
    
        private static final long DATA_CENTER_ID = 1L; // 数据中心ID，可根据实际情况修改
        private static final long WORKER_ID = 1L; // 工作机器ID，可根据实际情况修改
        /*
        数据中心ID
    	数据中心ID用于标识不同的数据中心。它的取值范围为0~31，最多支持32个数据中心。在实际使用中，需要根据实际情况		    来设置数据中心ID，以确保在整个分布式系统中唯一。
    	
    	工作机器ID
    	工作机器ID用于标识不同的工作节点或者进程。它的取值范围为0~31，最多支持32个工作节点或者进程。在实际使用中，	需要根据实际情况来设置工作机器ID，以确保在整个分布式系统中唯一。
    
    	为了避免工作机器ID和数据中心ID重复，我们在设置这些参数时需要特别小心并进行规划和分配。通常情况下，可以通过手动指定、配置文件或者自动化工具等方式来为每台机器分配唯一的工作机器ID和数据中心ID，以保证生成的ID足够唯一且不会重复。*/
    
        private final com.fasterxml.uuid.impl.TimeBasedGenerator generator;
    
        public SnowflakeIdGenerator() {
        
            this.generator = Generators.timeBasedGenerator(com.fasterxml.uuid.impl.RandomUtil.getSecureRandom());
        }
    
        public synchronized String nextId() {
        
            return generator.generate().toString();
        }
    }

在这个类中，我们使用timeBasedGenerator()方法创建了一个基于时间戳的UUID生成器，并将其包装成一个线程安全的单例。同时，我们还定义了数据中心ID和工作机器ID，并在构造函数中进行了初始化。

### 2.3.使用Snowflake ID生成器 ###

在需要生成ID的地方，可以通过依赖注入的方式来使用SnowflakeIdGenerator类。例如：

@Service
    public class UserServiceImpl implements UserService {
        
    
        @Autowired
        private SnowflakeIdGenerator idGenerator;
    
        @Override
        public void createUser(User user) {
        
            String userId = idGenerator.nextId();
            // TODO: 保存用户信息
        }
    }

在这个示例中，我们通过依赖注入的方式获取了SnowflakeIdGenerator实例，并调用其nextId()方法来生成一个新的ID。该方法返回的是一个字符串类型的UUID。

需要注意的是，由于Snowflake算法生成的ID包含时间戳等信息，因此在使用时需要保证系统时间的准确性。如果系统时间发生回拨或者误差较大，可能会导致生成的ID出现重复或者乱序的问题。

## 3. 数据中心ID与工作机器ID ##

### 3.1 设置数据中心id与工作机器id ###

获取工作机器ID和数据中心ID需要根据实际情况来进行调整。一般来说，可以通过以下几种方式来获取这些参数：

#### 3.1.1 手动指定 ####

在开发过程中，你可以手动为每台机器分配一个唯一的工作机器ID和数据中心ID，例如：

private static final long DATA_CENTER_ID = 1L; // 数据中心ID
    private static final long WORKER_ID = 1L; // 工作机器ID

这里我们将数据中心ID设置为1，工作机器ID也设置为1。当然，在实际应用中，需要根据机器数量和实际情况来调整这些参数，以保证生成的ID足够唯一且不会重复。

可以写1作为工作机器ID或数据中心ID，但是这样可能会导致生成的ID不够唯一，特别是在分布式系统中。为了保证生成的ID足够唯一且不会重复，建议将工作机器ID和数据中心ID设置为较大的值，例如16、32、64等。

Snowflake算法中规定，数据中心ID和工作机器ID的取值范围都是0~31，因此最多支持32个数据中心，每个数据中心最多支持32个工作机器。如果你的分布式系统中机器数量超过了这个限制，就需要使用更大的取值范围来确保生成的ID足够唯一。

#### 3.1.2使用配置文件 ####

在部署应用程序时，你可以使用配置文件来指定工作机器ID和数据中心ID。例如，在Spring Boot应用程序中，可以通过配置文件来指定这些参数：

snowflake.data-center-id=1
    snowflake.worker-id=1

然后在代码中读取这些配置，创建SnowflakeIdGenerator实例时将其传入即可。例如：

@Component
    public class SnowflakeIdGenerator {
        
    
        private final com.fasterxml.uuid.impl.TimeBasedGenerator generator;
    
        public SnowflakeIdGenerator(@Value("${snowflake.data-center-id}") long dataCenterId,
                                    @Value("${snowflake.worker-id}") long workerId) {
        
            this.generator = Generators.timeBasedGenerator(com.fasterxml.uuid.impl.RandomUtil.getSecureRandom(), dataCenterId, workerId);
        }
    
        public synchronized String nextId() {
        
            return generator.generate().toString();
        }
    }

在这个示例中，我们通过构造函数来接收工作机器ID和数据中心ID，并使用它们来创建SnowflakeIdGenerator实例。同时，我们也可以在代码中对这些参数进行校验，以确保它们的合法性。

#### 3.1.3使用自动化工具 ####

除了手动分配和配置文件之外，你还可以使用一些自动化工具来为每台机器分配唯一的工作机器ID和数据中心ID。例如，可以使用ZooKeeper等分布式协调服务来为每台机器分配一个唯一的ID。

在实际应用中，可以使用ZooKeeper等分布式协调服务来为每台机器分配唯一的工作机器ID和数据中心ID。

具体实现方式如下：

在ZooKeeper集群中创建一个持久化的节点，例如/snowflake。

每个机器启动时，向该节点下创建一个临时有序节点，例如/snowflake/worker-。

每个机器获取自己创建的节点名，并解析出其中的序号。例如，如果节点名为/snowflake/worker-0000000010，则其序号为10。

将序号作为工作机器ID，同时将ZooKeeper的客户端ID（即会话ID）的低32位作为数据中心ID。

这样就可以保证每个机器的工作机器ID和数据中心ID都是唯一的，不会重复。同时，由于节点创建时是临时有序节点，因此当机器宕机或者断开连接时，其节点会被自动删除，不会对其他机器造成影响。

需要注意的是，使用ZooKeeper等分布式协调服务需要对ZooKeeper的配置和使用有一定的了解，同时也需要考虑网络延迟等因素对性能的影响。如果对ZooKeeper不熟悉或者想要更简单的解决方案，也可以使用第三方的分布式ID生成器库，例如Twitter的Snowflake-java或者百度的UidGenerator等。

### 3.2 使用三方库生成 ###

#### 3.2.1需要引入依赖才能使用第三方的分布式ID生成器库： ####

##### 3.2.1.1 Snowflake-java库(已不再维护) #####

对于Snowflake-java库，需要在pom.xml文件中添加以下依赖：

<dependency>
        <groupId>com.github.twitter</groupId>
         
        <artifactId>snowflake</artifactId>
        <version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
    </dependency>

long datacenterId = new SnowflakeIdWorker(0, 0).getDatacenterId();
    long workerId = new SnowflakeIdWorker(0, 0).getWorkerId();
    /*创建了两个SnowflakeIdWorker对象，并从中获取数据中心ID和工作机器ID。
    在实际使用时，可以根据需要调整构造函数中的参数，以确保生成的ID足够唯一且不会重复*/

需要注意的是，该库目前已经不再维护，因此建议使用其他类似的库，例如美团的Leaf算法或者百度的UidGenerator等。

##### 3.2.1.2 百度UidGenerator库 #####

对于UidGenerator库，需要在pom.xml文件中添加以下依赖：

<dependency>
        <groupId>org.n3r</groupId>
        <artifactId>uid-generator</artifactId>
        <version>2.3.4</version>
    </dependency>

long datacenterId = UidGenerator.DEFAULT_DATA_CENTER_ID;
    long workerId = UidGenerator.getWorkerId();
    /*这里我们直接使用了默认的数据中心ID，并通过getWorkerId()方法获取了工作机器ID。
    在实际使用时，也可以根据需要调整这些参数，以确保生成的ID足够唯一且不会重复*/

需要注意的是，在使用第三方的分布式ID生成器库时，也需要根据实际情况来进行调整，并确保生成的ID足够唯一且不会重复。同时，这些库的实现机制和Snowflake算法可能有所不同，需要仔细研究其文档和源代码，以确保生成的ID符合我们的要求。

##### 3.2.1.3 美团Leaf #####

在pom.xml文件中添加以下依赖：

<dependency>
        <groupId>io.github.leaf-oss</groupId>
        <artifactId>leaf-core</artifactId>
        <version>${leaf.version}</version>
    </dependency>

在配置文件中添加以下属性：

Leaf服务端地址:  
leaf.server.host=127.0.0.1  
leaf.server.port=8080

业务名:  
leaf.name=myapp  
在代码中读取这些配置，并通过SnowflakeSegmentIDGen类来生成唯一的ID。例如：

@Component
    public class IdGenerator {
        
    
        private final SnowflakeSegmentIDGen idGen;
    
        public IdGenerator(@Value("${leaf.server.host}") String host,
                           @Value("${leaf.server.port}") int port,
                           @Value("${leaf.name}") String name) {
        
            SnowflakeConfig config = new SnowflakeConfig();
            config.setPort(port);
            config.setWorkerId(Integer.parseInt(NetUtils.getHostName().split("-")[1]));
            LeafSegmentServiceImpl leafSegmentService = new LeafSegmentServiceImpl(config);
            leafSegmentService.init();
            this.idGen = new SnowflakeSegmentIDGen(leafSegmentService, name);
        }
    
        public long nextId() {
        
            return idGen.nextId();
        }
    }

在这个示例中，我们通过读取配置文件中的参数来初始化SnowflakeSegmentIDGen类，并将其封装到IdGenerator类中。在需要生成ID时，只需要调用nextId()方法即可。

需要注意的是，Leaf库的实现机制和Snowflake算法可能有所不同，需要仔细研究其文档和源代码，以确保生成的ID符合我们的要求。同时，也需要根据实际情况来进行调整，并确保生成的ID足够唯一且不会重复。