雪花算法(SnowFlake)

2023-04-16

时间 id long

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

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


package com.ruoyi.common.utils;
 
import java.util.Date;
 
/**
 * @ClassName: SnowFlakeUtil
 * 雪花算法
 */
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() {
        //实际分布式系统中，一种参考方案是dataCenterId为mac地址，workerId为pid相关
        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:" + id);
        Date date = SnowFlakeUtil.getTimeBySnowFlakeId(id);
        System.out.println(date);
        long time = date.getTime();
        System.out.println("time:" + time);
        System.out.println(getRandomStr());
 
    }
 
}