分布式系统全局ID生成算法

概述

分布式系统中，很多时候需要使用全局唯一ID，这种时候为了防止ID冲突可以使用36位的UUID，但是UUID有一些缺点，首先他相对比较长，不利于DB查询，另外UUID一般是无序的，而有些时候我们希望能使用一种简单的ID，并且希望ID能够按照时间有序生成。

twitter的snowflake算法

原理

snowflake结构如下（每部分用-分隔）：
0-00000000000000000000000000000000000000000-00000-00000-000000000000

• 1位符号位，由于long类型在java中带符号的，最高位为符号位，正数为0，负数为1，且实际系统中所使用的ID一般都是正数，所以最高位为0
• 41位时间戳（毫秒级），需要注意的是此处的41位时间戳并非存储当前时间的时间戳，而是存储时间戳的差值（当前时间戳 - 起始时间戳）,这里的起始时间戳一般是ID生成器开始使用的时间戳，由程序来指定，所以41位毫秒时间戳最多可以使用 (1 << 41) / (1000x60x60x24x365) = 69年
• 10位数据机器位，包括5位数据标识位和5位机器标识位，这10位决定了分布式系统中最多可以部署1 << 10 = 1024个节点，超过这个数量，生成的ID就有可能会冲突
• 12位毫秒内的序列，这12位计数支持每个节点每毫秒（同一台机器，同一时刻）最多生成1 << 12 = 4096个ID
• 加起来刚好64位，为一个Long型

优缺点

根据上述生成原理可知，snowflake算法的优点是生成的ID整体上按照时间自增排序，并且整个分布式系统内不会产生ID碰撞（由数据中心ID与机器ID作区分），且效率较高。但缺点是算法强依赖机器的时钟，当机器时钟回退的话，就会生成重复的ID。

实现代码（Java版）

public class IdWorker {
    /**
     * 起始时间戳 2017-04-01
     */
    private final long epoch = 1491004800000L;
    /**
     * 机器ID所占的位数
     */
    private final long workerIdBits = 5L;
    /**
     * 数据标识ID所占的位数
     */
    private final long dataCenterIdBits = 5L;
    /**
     * 支持的最大机器ID,结果是31
     */
    private final long maxWorkerId = ~(-1L << workerIdBits);
    /**
     * 支持的最大数据标识ID,结果是31
     */
    private final long maxDataCenterId = ~(-1 << dataCenterIdBits);
    /**
     * 毫秒内序列在id中所占的位数
     */
    private final long sequenceBits = 12L;
    /**
     * 机器ID向左移12位
     */
    private final long workerIdShift = sequenceBits;
    /**
     * 数据标识ID向左移17(12+5)位
     */
    private final long dataCenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;
    /**
     * 时间戳向左移22(12+5+5)位
     */
    private final long timestampShift = sequenceBits + workerIdBits + dataCenterIdBits;
    /**
     * 生成序列的掩码，这里为4095 (0b111111111111=0xfff=4095)
     */
    private final long sequenceMask = ~(-1L << sequenceBits);
    /**
     * 数据标识ID（0～31）
     */
    private long dataCenterId;
    /**
     * 机器ID（0～31）
     */
    private long workerId;
    /**
     * 毫秒内序列（0～4095）
     */
    private long sequence;
    /**
     * 上次生成ID的时间戳
     */
    private long lastTimestamp = -1L;

    public IdWorker(long dataCenterId, long workerId) {
        if (dataCenterId > maxDataCenterId || dataCenterId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException(String.format("dataCenterId can't be greater than %d or less than 0", maxDataCenterId));
        }
        if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException(String.format("worker Id can't be greater than %d or less than 0", maxWorkerId));
        }
        this.dataCenterId = dataCenterId;
        this.workerId = workerId;
    }

    /**
     * 获得下一个ID (该方法是线程安全的)
     * @return snowflakeId
     */
    public synchronized long nextId() {
        long timestamp = timeGen();
        //如果当前时间小于上一次ID生成的时间戳,说明系统时钟回退过,这个时候应当抛出异常
        if (timestamp < lastTimestamp) {
            throw new RuntimeException(String.format("Clock moved backwards.  Refusing to generate id for %d milliseconds", lastTimestamp - timestamp));
        }
        //如果是同一时间生成的，则进行毫秒内序列
        if (timestamp == lastTimestamp) {
            sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;
            //毫秒内序列溢出
            if (sequence == 0) {
                //阻塞到下一个毫秒,获得新的时间戳
                timestamp = nextMillis(lastTimestamp);
            }
        } else {//时间戳改变，毫秒内序列重置
            sequence = 0L;
        }
        lastTimestamp = timestamp;
        //移位并通过按位或运算拼到一起组成64位的ID
        return ((timestamp - epoch) << timestampShift) |
                (dataCenterId << dataCenterIdShift) |
                (workerId << workerIdShift) |
                sequence;
    }

    /**
     * 返回以毫秒为单位的当前时间
     * @return 当前时间(毫秒)
     */
    protected long timeGen() {
        return System.currentTimeMillis();
    }

    /**
     * 阻塞到下一个毫秒，直到获得新的时间戳
     * @param lastTimestamp 上次生成ID的时间截
     * @return 当前时间戳
     */
    protected long nextMillis(long lastTimestamp) {
        long timestamp = timeGen();
        while (timestamp <= lastTimestamp) {
            timestamp = lastTimestamp;
        }
        return timestamp;
    } 
}

其它优秀的全局ID生成算法后续继续跟进