什么是雪花算法 snowflake
前言
这个问题源自于，我想找一个分布式下的ID生成器。
这个最简单的方案是，数据库自增ID。为啥不用咧？有这么几点原因，一是，会依赖于数据库的具体实现，比如，mysql有自增，oracle没有，得用序列，mongo似乎也没有他自己有个什么ID，sqlserver貌似有自增等等，有些不稳定因素，因为ID生成是业务的核心基础。当然，还有就是性能，自增ID是连续的，它就依赖于数据库自身的锁，所以数据库就有瓶颈。当然了，多台数据库加某种间隔也是可用的，但是，运维维护会很复杂，因为它不是内聚的解决方案。而且，很难提前获得下一个ID。
后来，我用过一段时间在数据库表里进行记录来进行自增。这个的优势是，我可以提前获得下一个ID，而且，某个进程里可以一次获取一批，减少锁的依赖，虽然进程间的不重复依然是基于数据库事务隔离的，但是，依赖小了，瓶颈小了。这个方案其实挺好的，我依然也会继续用，主要是，它可以生成数字字母混合的编剧号，而且基本可控。但是，我数据库主键为了效率和空间成本，基本会选用long，基本顺序生成就可以了，所以，使用这种带持久化的方案，会显得很重。起项目的时候，也是，需要先建立对应的表，然后再把代码或者jar包引进去，然后再用，比较重。最好就是能够直接生成，没有那么多依赖。
然后，我从我上司那里听到了twitter的这个算法。其实，我上司有个实现，我这个就是基于他的改的，但是，他的有两个值是配置的，我还是嫌麻烦，于是就动手把那两个值变成了从机器与进程获取，就有了这个版本。
思路
说实话，我也就听了这么个算法的名字，没正经看过原算法，但是，我上司说他代码是网上抄的，所以，这个算法名字我还是不敢丢，下面我们说说整体的思路。
整个ID的构成大概分为这么几个部分，时间戳差值，机器编码，进程编码，序列号。java的long是64位的从左向右依次介绍是：时间戳差值，在我们这里占了42位；机器编码5位；进程编码5位；序列号12位。所有的拼接用位运算拼接起来，于是就基本做到了每个进程中不会重复了。
代码(这里是我修改原po的之后的代码)
原博:
code1
package com.zgd.demo.util.idGenerator;
import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.lang.management.RuntimeMXBean;
import java.net.NetworkInterface;
import java.net.SocketException;
import java.util.Enumeration;
import static java.lang.System.currentTimeMillis;
/**
* 雪花算法 snowflake 算法自增id生成器
* @author zgd
* @time 2018年8月8日10:45:08
*/
public class SnowFlakeIdGenerator {
//机器启动时的时间戳,需要从机器启动时确定
private final static long twepoch = currentTimeMillis();
// 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;
// 毫秒内自增位数
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;
//sequence掩码，确保sequnce不会超出上限
private final static long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);
//上次时间戳
private static long lastTimestamp = -1L;
//序列
private long sequence = 0L;
//服务器ID
private long workerId = 1L;
/**
* long workerIdBits = 5L;
* -1L 的二进制: 1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111
* -1L<<workerIdBits = -32 ,二进制: 1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111100000
* workerMask= -1L ^ -32 = 31, 二进制: 11111
*/
private static long workerMask= -1L ^ (-1L << workerIdBits);
//进程编码
private long processId = 1L;
private static long processMask=-1L ^ (-1L << datacenterIdBits);
private static SnowFlakeIdGenerator idGenerator = null;
static{
idGenerator=new SnowFlakeIdGenerator();
}
public static synchronized long nextId(){
return idGenerator.getNextId();
}
/**
* 隐藏构造方法,单例
*/
private SnowFlakeIdGenerator() {
System.out.println("实例化了SnowFlakeIdGenerator");
//获取机器编码
this.workerId=this.getMachineNum();
//获取进程编码
RuntimeMXBean runtimeMXBean = ManagementFactory.getRuntimeMXBean();
this.processId=Long.valueOf(runtimeMXBean.getName().split("@")[0]).longValue();
//避免编码超出最大值
/**
* 如果workerId=489181L,二进制是1110111011011011101, workerMask上面已经得知是31, 二进制: 11111, 机器码的位数是5位,workerIdBits = 5L;
* workerId & workerMask = 29,二进制 11101,所以二进制都是控制在5位
* processId同理可以控制在二进制5位
*/
this.workerId=workerId & workerMask;
this.processId=processId & processMask;
}
public synchronized long getNextId() {
//获取时间戳
long timestamp = timeGen();
//如果时间戳小于上次时间戳则报错
if (timestamp < lastTimestamp) {
try {
throw new Exception("Clock moved backwards. Refusing to generate id for " + (lastTimestamp - timestamp) + " milliseconds");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
//如果时间戳与上次时间戳相同
if (lastTimestamp == timestamp) {
// 当前毫秒内，则+1，与sequenceMask确保sequence不会超出上限
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 = 0;
}
lastTimestamp = timestamp;
// ID偏移组合生成最终的ID，并返回ID
//将时间戳的二进制向左移22位,进程id的二进制向左移12位,机器id的二进制左移5位,序号的二进制左移5位
//再用||连接起来,所以形成了一个64位的long类型:
//[xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xx] [xx xxxx xxxx xx] [xx xxx][x xxxx] 从左到右分别是: 时间戳, 进程id,机器id,序号
long nextId = ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) | (processId << datacenterIdShift) | (workerId << workerIdShift) | sequence;
return nextId;
}
/**
* 再次获取时间戳直到获取的时间戳与现有的不同
* @param lastTimestamp
* @return 下一个时间戳
*/
private long tilNextMillis(final long lastTimestamp) {
long timestamp = this.timeGen();
while (timestamp <= lastTimestamp) {
timestamp = this.timeGen();
}
return timestamp;
}
private long timeGen() {
return currentTimeMillis();
}
/**
* 获取机器编码
* @return
*/
private long getMachineNum(){
long machinePiece;
StringBuilder sb = new StringBuilder();
Enumeration<NetworkInterface> e = null;
try {
e = NetworkInterface.getNetworkInterfaces();
} catch (SocketException e1) {
e1.printStackTrace();
}
while (e.hasMoreElements()) {
NetworkInterface ni = e.nextElement();
sb.append(ni.toString());
}
machinePiece = sb.toString().hashCode();
return machinePiece;
}
}
package com.zgd.demo.util.idGenerator;
import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.lang.management.RuntimeMXBean;
import java.net.NetworkInterface;
import java.net.SocketException;
import java.util.Enumeration;
import static java.lang.System.currentTimeMillis;
/**
* 雪花算法 snowflake 算法自增id生成器
* @author zgd
* @time 2018年8月8日10:45:08
*/
public class SnowFlakeIdGenerator {
//机器启动时的时间戳,需要从机器启动时确定
private final static long twepoch = currentTimeMillis();
// 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;
// 毫秒内自增位数
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;
//sequence掩码，确保sequnce不会超出上限
private final static long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);
//上次时间戳
private static long lastTimestamp = -1L;
//序列
private long sequence = 0L;
//服务器ID
private long workerId = 1L;
/**
* long workerIdBits = 5L;
* -1L 的二进制: 1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111
* -1L<<workerIdBits = -32 ,二进制: 1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111100000
* workerMask= -1L ^ -32 = 31, 二进制: 11111
*/
private static long workerMask= -1L ^ (-1L << workerIdBits);
//进程编码
private long processId = 1L;
private static long processMask=-1L ^ (-1L << datacenterIdBits);
private static SnowFlakeIdGenerator idGenerator = null;
static{
idGenerator=new SnowFlakeIdGenerator();
}
public static synchronized long nextId(){
return idGenerator.getNextId();
}
/**
* 隐藏构造方法,单例
*/
private SnowFlakeIdGenerator() {
System.out.println("实例化了SnowFlakeIdGenerator");
//获取机器编码
this.workerId=this.getMachineNum();
//获取进程编码
RuntimeMXBean runtimeMXBean = ManagementFactory.getRuntimeMXBean();
this.processId=Long.valueOf(runtimeMXBean.getName().split("@")[0]).longValue();
//避免编码超出最大值
/**
* 如果workerId=489181L,二进制是1110111011011011101, workerMask上面已经得知是31, 二进制: 11111, 机器码的位数是5位,workerIdBits = 5L;
* workerId & workerMask = 29,二进制 11101,所以二进制都是控制在5位
* processId同理可以控制在二进制5位
*/
this.workerId=workerId & workerMask;
this.processId=processId & processMask;
}
public synchronized long getNextId() {
//获取时间戳
long timestamp = timeGen();
//如果时间戳小于上次时间戳则报错
if (timestamp < lastTimestamp) {
try {
throw new Exception("Clock moved backwards. Refusing to generate id for " + (lastTimestamp - timestamp) + " milliseconds");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
//如果时间戳与上次时间戳相同
if (lastTimestamp == timestamp) {
// 当前毫秒内，则+1，与sequenceMask确保sequence不会超出上限
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 = 0;
}
lastTimestamp = timestamp;
// ID偏移组合生成最终的ID，并返回ID
//将时间戳的二进制向左移22位,进程id的二进制向左移12位,机器id的二进制左移5位,序号的二进制左移5位
//再用||连接起来,所以形成了一个64位的long类型:
//[xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xx] [xx xxxx xxxx xx] [xx xxx][x xxxx] 从左到右分别是: 时间戳, 进程id,机器id,序号
long nextId = ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) | (processId << datacenterIdShift) | (workerId << workerIdShift) | sequence;
return nextId;
}
/**
* 再次获取时间戳直到获取的时间戳与现有的不同
* @param lastTimestamp
* @return 下一个时间戳
*/
private long tilNextMillis(final long lastTimestamp) {
long timestamp = this.timeGen();
while (timestamp <= lastTimestamp) {
timestamp = this.timeGen();
}
return timestamp;
}
private long timeGen() {
return currentTimeMillis();
}
/**
* 获取机器编码
* @return
*/
private long getMachineNum(){
long machinePiece;
StringBuilder sb = new StringBuilder();
Enumeration<NetworkInterface> e = null;
try {
e = NetworkInterface.getNetworkInterfaces();
} catch (SocketException e1) {
e1.printStackTrace();
}
while (e.hasMoreElements()) {
NetworkInterface ni = e.nextElement();
sb.append(ni.toString());
}
machinePiece = sb.toString().hashCode();
return machinePiece;
}
}试了一下,连续调用了三次nextId():
实例化了SnowFlakeIdGenerator
252760064
252760065
252760066
252760067
二进制分别是:
1111000100001101000000000000
1111000100001101000000000001
1111000100001101000000000010
1111000100001101000000000011还有另一种方法
code2
import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.net.InetAddress;
import java.net.NetworkInterface;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
public class Sequence {
private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(Sequence.class);
private final long twepoch = 1288834974657L;//这里是机器启动的时间戳
private final long workerIdBits = 5L;
private final long datacenterIdBits = 5L;
private final long maxWorkerId = 31L;
private final long maxDataCenterId = 31L;
private final long sequenceBits = 12L;
private final long workerIdShift = 12L;
private final long datacenterIdShift = 17L;
private final long timestampLeftShift = 22L;
private final long sequenceMask = 4095L;
private long workerId;
private long dataCenterId;
private long sequence = 0L;
private long lastTimestamp = -1L;
private long offSet = 5L;
public Sequence() {
this.dataCenterId = getDataCenterId(31L);
this.workerId = getMaxWorkerId(this.dataCenterId, 31L);
}
public Sequence(long workerId, long dataCenterId) {
if (workerId <= 31L && workerId >= 0L) {
if (dataCenterId <= 31L && dataCenterId >= 0L) {
this.workerId = workerId;
this.dataCenterId = dataCenterId;
} else {
throw new IllegalArgumentException(String.format("datacenter Id can't be greater than %d or less than 0", 31L));
}
} else {
throw new IllegalArgumentException(String.format("worker Id can't be greater than %d or less than 0", 31L));
}
}
protected static long getMaxWorkerId(long dataCenterId, long maxWorkerId) {
StringBuilder mpid = new StringBuilder();
mpid.append(dataCenterId);
String name = ManagementFactory.getRuntimeMXBean().getName();
if (name != null && "".equals(name)) {
mpid.append(name.split("@")[0]);
}
return (long)(mpid.toString().hashCode() & '\uffff') % (maxWorkerId + 1L);
}
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();
if (null != mac) {
id = (255L & (long)mac[mac.length - 1] | 65280L & (long)mac[mac.length - 2] << 8) >> 6;
id %= maxDataCenterId + 1L;
}
}
} catch (Exception var7) {
log.error(" getDataCenterId: ", var7);
}
return id;
}
public synchronized long nextId() {
long timestamp = this.timeGen();
if (timestamp < this.lastTimestamp) {
long offset = this.lastTimestamp - timestamp;
if (offset > this.offSet) {
throw new RuntimeException(String.format("Clock moved backwards. Refusing to generate id for %d milliseconds", offset));
}
try {
this.wait(offset << 1);
timestamp = this.timeGen();
if (timestamp < this.lastTimestamp) {
throw new RuntimeException(String.format("Clock moved backwards. Refusing to generate id for %d milliseconds", offset));
}
} catch (Exception var6) {
throw new RuntimeException(var6);
}
}
if (this.lastTimestamp == timestamp) {
this.sequence = this.sequence + 1L & 4095L;
if (this.sequence == 0L) {
timestamp = this.tilNextMillis(this.lastTimestamp);
}
} else {
this.sequence = 0L;
}
this.lastTimestamp = timestamp;
return timestamp - twepoch << 22 | this.dataCenterId << 17 | this.workerId << 12 | this.sequence;
}
protected long tilNextMillis(long lastTimestamp) {
long timestamp;
for(timestamp = this.timeGen(); timestamp <= lastTimestamp; timestamp = this.timeGen()) {
;
}
return timestamp;
}
protected long timeGen() {
return SystemClock.now();
}
}自己写的测试类
package com.zgd.demo.test;
import com.google.common.util.concurrent.ThreadFactoryBuilder;
import com.zgd.demo.util.idGenerator.SnowFlakeIdGenerator;
import java.util.concurrent.*;
public class TestIdRepeat {
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 线程数量
final int threadCount = 100;
// 每个线程生成的 ID 数量
final int idCountPerThread = 1000;
// 用于等待所有线程启动完成
CountDownLatch threadLatch = new CountDownLatch(threadCount);
final int coreThread = 5;
final int maxThread = 50;
final long keepAliveTime = 0L;
final int queueCapacity = 1024;
ThreadFactory namedThreadFactory = new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("demo-pool-%d").build();
//Common Thread Pool
ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(coreThread, maxThread,keepAliveTime, TimeUnit.MILLISECONDS,
new LinkedBlockingQueue<Runnable>(queueCapacity), namedThreadFactory, new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
ConcurrentSkipListSet<Long> ids = new ConcurrentSkipListSet<>();
for (int i = 0; i < threadCount; ++i) {
final int n = i;
pool.execute(() -> {
// 等待所有线程都运行到这里，然后都继续运行，差不多同时生成 id
final String threadNum = Thread.currentThread().getName() + "-" + n + "号线程";
try {
threadLatch.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(threadNum+"继续执行");
for (int j = 0; j < idCountPerThread; ++j) {
long id = SnowFlakeIdGenerator.nextId();
ids.add(id);
}
});
threadLatch.countDown();
}
pool.shutdown();
// 等待 id 生成完成，生成不同数量的 id 时需要调整
Thread.sleep(2000);
System.out.println(ids.size());
//System.out.println(ids);
}
}结果
因为ConcurrentSkipListSet是不重复且有序的,所以打印出来是100000个,说明没有重复的id
代码解读
1.整体设计
为了最大程度的减少配置，方便实用，这个模块，我设计成了单例模式。之所以没有直接使用static方法，还是希望可以控制整个模块的生命周期，但是，模块的初始化，我使用了static块，因为它没有任何依赖。
有个static的nextId方法，可以直接获得下一个ID，这个方法是线程安全的。同时这个模块的使用就是这么简单粗暴，也不用配置bean。
2.ID生成逻辑
我们先看最后一步：long nextId = ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) | (processId << datacenterIdShift) | (workerId << workerIdShift) | sequence;
这句话什么意思呢？
timestamp - twepoch：时间戳减去一个时间戳，获得一个差值。
((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift)：timestampLeftShift是22，这个操作是将这个差值向左移22位，左移空出来的会自动补0，我们就有了22位的空间了。
后面可以看到三个|符号，与操作会把1都加进来，而我们后面的数也都在各自的位上才有1，那么|操作就把这些数合进来了。
(processId << datacenterIdShift)：进程编码左移datacenterIdShift，这个是17位，而processId最多是5位，于是刚好填满空位
(workerId << workerIdShift)：与进程编码类似，机器编码也是5位，左移12位
sequence最大12位。
如何确保不超出位数限制
前面的逻辑中，我们说了很多不超出位数限制啥的内容，那么，具体是怎么做到的呢？我们拿workerId举个例子：
this.workerId=workerId & workerMask;
这是我们确保workerId不超过5位的语句，什么意思呢？不经常操作位运算真看不懂。我们先看看workerMask是啥。
private static long workerMask= -1L ^ (-1L << workerIdBits);
。。。什么意思呀？它先执行的是-1L << workerIdBits，workerIdBits是5。这又是什么意思呢？注意，这是位运算，long用的是补码，-1L，就是64个1，这里使用-1是为了格式化所有位数，<<是左移运算，-1L左移五位，低位补零，也就是左移空出来的会自动补0，于是就低位五位是0，其余是1。然后^这个符号，是异或，也是位运算，位上相同则为0，不通则为1，和-1做异或，则把所有的0和1颠倒了一下。这时候，我们再看，workerId & workerMask，与操作，两个位上都为1的才能唯一，否则为零，workerMask高位都是0，所以，不管workerId高位是什么，都是0,；而workerMask低位都是1，所以，不管workerId低位是什么，都会被保留，于是，我们就控制了workerId的范围。
最后的异常
这里，时间戳，保证了不通毫秒不同，然后机器编码进程编码保证了不同进程不通，再然后，序列，在统一毫秒内，如果获取第二个ID，则序列号+1，到下一毫秒后重置。至此，唯一性ok。但是，还有问题，序列号用完了怎么办？代码里的解决方案是，等到下一毫秒。
补充
其实，这个方案中，机器码和进程编码是可能相同的，只是概率比较小，我们就凑合着用吧。如果有更好地获取这两位的方式，欢迎沟通。
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