分布式ID—雪花算法
背景
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。
- 第一个bit位（1bit）：Java中long的最高位是符号位代表正负，正数是0，负数是1，一般生成ID都为正数，所以默认为0。
- 时间戳部分（41bit）：毫秒级的时间，不建议存当前时间戳，而是用（当前时间戳 - 固定开始时间戳）的差值，可以使产生的ID从更小的值开始；41位的时间戳可以使用69年，(1L << 41) / (1000L * 60 * 60 * 24 * 365) = 69年
- 工作机器id（10bit）：也被叫做workId，这个可以灵活配置，机房或者机器号组合都可以。
- 序列号部分（12bit），自增值支持同一毫秒内同一个节点可以生成4096个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
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
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。