分佈式自增ID算法-Snowflake詳解

1、Snowflake簡介
        互聯網快速發展的今天，分佈式應用系統已經見怪不怪，在分佈式系統中，我們需要各種各樣的ID，既然是ID那麼必然是要保證全局唯一，除此之外，不同當業務還需要不同的特性，比如像併發巨大的業務要求ID生成效率高，吞吐大；比如某些銀行類業務，需要按每日日期制定交易流水號；又比如我們希望用戶的ID是隨機的，無序的，純數字的，且位數長度是小於10位的。等等，不同的業務場景需要的ID特性各不一樣，於是，衍生了各種ID生成器，但大多數利用數據庫控制ID的生成，性能受數據庫併發能力限制，那麼有沒有一款不需要依賴任何中間件（如數據庫，分佈式緩存服務等）的ID生成器呢？本着取之於開源，用之於開源的原則，今天，特此介紹Twitter開源的一款分佈式自增ID算法snowflake。

snowflake算法是一款本地生成的（ID生成過程不依賴任何中間件，無網絡通信），保證ID全局唯一，並且ID總體有序遞增，性能每秒生成300w＋。

優點：

趨勢遞增：毫秒數在高位，序列號在低位
性能高無單點：本地計算不依賴數據庫等第三方
使用靈活：三個組成部分的位數可按需求調整
缺點：

序列不連續
無法控制生成規則（比如序列起始等）
強依賴機器時鐘，如果時鐘回撥，會導致序列重複或者系統不可用
2、Snowflake算法原理
snowflake生產的ID二進制結構表示如下(每部分用-分開):

0 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 0 - 00000 - 00000 - 00000000 0000

第一位未使用，接下來的41位爲毫秒級時間(41位的長度可以使用69年，從1970-01-01 08:00:00)，然後是5位datacenterId（最大支持2^5＝32個，二進制表示從00000-11111，也即是十進制0-31），和5位workerId（最大支持2^5＝32個，原理同datacenterId），所以datacenterId*workerId最多支持部署1024個節點，最後12位是毫秒內的計數（12位的計數順序號支持每個節點每毫秒產生2^12＝4096個ID序號）。

所有位數加起來共64位，恰好是一個Long型（轉換爲字符串長度爲18）。

單臺機器實例，通過時間戳保證前41位是唯一的，分佈式系統多臺機器實例下，通過對每個機器實例分配不同的datacenterId和workerId避免中間的10位碰撞。最後12位每毫秒從0遞增生產ID，再提一次：每毫秒最多生成4096個ID，每秒可達4096000個。理論上，只要CPU計算能力足夠，單機每秒可生產400多萬個，實測300w+，效率之高由此可見。
3、Snowflake源碼（Java版本）

package util;

import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.net.InetAddress;
import java.net.NetworkInterface;

/**
 * <p>名稱：IdWorker.java</p>
 * <p>描述：分佈式自增長ID</p>
 * <pre>
 *     Twitter的 Snowflake　JAVA實現方案
 * </pre>
 * 核心代碼爲其IdWorker這個類實現，其原理結構如下，我分別用一個0表示一位，用—分割開部分的作用：
 * 1||0---0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0 --- 00000 ---00000 ---000000000000
 * 在上面的字符串中，第一位爲未使用（實際上也可作爲long的符號位），接下來的41位爲毫秒級時間，
 * 然後5位datacenter標識位，5位機器ID（並不算標識符，實際是爲線程標識），
 * 然後12位該毫秒內的當前毫秒內的計數，加起來剛好64位，爲一個Long型。
 * 這樣的好處是，整體上按照時間自增排序，並且整個分佈式系統內不會產生ID碰撞（由datacenter和機器ID作區分），
 * 並且效率較高，經測試，snowflake每秒能夠產生26萬ID左右，完全滿足需要。
 * <p>
 * 64位ID (42(毫秒)+5(機器ID)+5(業務編碼)+12(重複累加))
 *
 * @author Polim
 */
public class IdWorker {
    // 時間起始標記點，作爲基準，一般取系統的最近時間（一旦確定不能變動）
    private final static long twepoch = 1288834974657L;
    // 機器標識位數
    private final static long workerIdBits = 5L;
    // 數據中心標識位數
    private final static long datacenterIdBits = 5L;
    // 機器ID最大值
    private final static long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits);
    // 數據中心ID最大值
    private final static long maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits);
    // 毫秒內自增位
    private final static long sequenceBits = 12L;
    // 機器ID偏左移12位
    private final static long workerIdShift = sequenceBits;
    // 數據中心ID左移17位
    private final static long datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;
    // 時間毫秒左移22位
    private final static long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits;

    private final static long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);
    /* 上次生產id時間戳 */
    private static long lastTimestamp = -1L;
    // 0，併發控制
    private long sequence = 0L;

    private final long workerId;
    // 數據標識id部分
    private final long datacenterId;

    public IdWorker(){
        this.datacenterId = getDatacenterId(maxDatacenterId);
        this.workerId = getMaxWorkerId(datacenterId, maxWorkerId);
    }
    /**
     * @param workerId
     *            工作機器ID
     * @param datacenterId
     *            序列號
     */
    public IdWorker(long workerId, long datacenterId) {
        if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException(String.format("worker Id can't be greater than %d or less than 0", maxWorkerId));
        }
        if (datacenterId > maxDatacenterId || datacenterId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException(String.format("datacenter Id can't be greater than %d or less than 0", maxDatacenterId));
        }
        this.workerId = workerId;
        this.datacenterId = datacenterId;
    }
    /**
     * 獲取下一個ID
     *
     * @return
     */
    public synchronized long nextId() {
        long timestamp = timeGen();
        if (timestamp < lastTimestamp) {
            throw new RuntimeException(String.format("Clock moved backwards.  Refusing to generate id for %d milliseconds", lastTimestamp - timestamp));
        }

        if (lastTimestamp == timestamp) {
            // 當前毫秒內，則+1
            sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;
            if (sequence == 0) {
                // 當前毫秒內計數滿了，則等待下一秒
                timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp);
            }
        } else {
            sequence = 0L;
        }
        lastTimestamp = timestamp;
        // ID偏移組合生成最終的ID，並返回ID
        long nextId = ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift)
                | (datacenterId << datacenterIdShift)
                | (workerId << workerIdShift) | sequence;

        return nextId;
    }

    private long tilNextMillis(final long lastTimestamp) {
        long timestamp = this.timeGen();
        while (timestamp <= lastTimestamp) {
            timestamp = this.timeGen();
        }
        return timestamp;
    }

    private long timeGen() {
        return System.currentTimeMillis();
    }

    /**
     * <p>
     * 獲取 maxWorkerId
     * </p>
     */
    protected static long getMaxWorkerId(long datacenterId, long maxWorkerId) {
        StringBuffer mpid = new StringBuffer();
        mpid.append(datacenterId);
        String name = ManagementFactory.getRuntimeMXBean().getName();
        if (!name.isEmpty()) {
         /*
          * GET jvmPid
          */
            mpid.append(name.split("@")[0]);
        }
      /*
       * MAC + PID 的 hashcode 獲取16個低位
       */
        return (mpid.toString().hashCode() & 0xffff) % (maxWorkerId + 1);
    }

    /**
     * <p>
     * 數據標識id部分
     * </p>
     */
    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();
                id = ((0x000000FF & (long) mac[mac.length - 1])
                        | (0x0000FF00 & (((long) mac[mac.length - 2]) << 8))) >> 6;
                id = id % (maxDatacenterId + 1);
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(" getDatacenterId: " + e.getMessage());
        }
        return id;
    }


}

 調用id的方法：

@Autowired
private IdWorker idWorker;
public void save( Label label ) {
        label.setId(idWorker.nextId()+"");
        labelDao.save(label);
    }

參考博客：https://www.cnblogs.com/keeya/p/9347617.html

                  https://blog.csdn.net/xinzhongtianxia/article/details/86497942

                  https://blog.csdn.net/chen_changying/article/details/79454901