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当我首次接触到这个算法时,便被其富有诗意的名字所吸引。雪花,亦称未央花,"未央"意味着永恒与无限,象征着希望与未来,代表着光明与前行的道路。言归正传,自然界中存在一种现象:据说不存在两片完全相同的雪花,每一片在形成时都会展现出其独特的形态与纹路。雪花算法这个名字,象征该算法能生成一个全局唯一且不重复的标识符。
在分布式系统中,数据一般都被分散存储在不同的节点上,由于数据被分散存储在不同的节点上,为了确保每个数据项的唯一性,就需要这样一套机制来生成不会重复的ID。这个不会重复的ID就是分布式ID。
分布式ID不仅仅是一个简单的数字序列,它还涉及到多个维度的需求和特性,主要包括:
全局唯一性:这是最基本也是最重要的要求,确保在分布式系统中产生的每一个ID都是独一无二的。
高性能:在高并发场景下,ID生成服务需要快速响应,减少生成ID的延迟,不影响系统的整体性能。
高可用性:ID生成服务需要设计成高可用的,即使部分组件发生故障,也能确保ID的正常生成,不影响业务连续性。
趋势递增(非严格要求):在某些场景下,如数据库索引优化,可能需要生成的ID具有趋势递增的特性,以便提升数据库插入性能。
安全性:虽然不是所有场景都需要,但在一些敏感或有特殊要求的系统中,ID的生成还应考虑信息安全性,避免通过ID泄露系统敏感信息。
常见的分布式ID生成策略有Snowflake算法(就是我们今天的主角)、基于数据库的生成方式、基于Zookeeper或Redis等中间件的方案,以及使用UUID等。
接下来我们就一起解开雪花算法的面纱吧。
雪花算法是Twitter开源的分布式ID生成算法,其生成的ID是一个64位的长整型数字。每个ID按时间顺序生成,并保证在分布式系统中的唯一性。雪花算法生成的ID结构如下:
| 1位符号位 | 41位时间戳 | 10位机器ID | 12位序列号 |
- public class SnowflakeIdWorker {
- // 起始时间戳(2020-01-01)
- private final long twepoch = 1577836800000L;
-
- // 机器ID所占的位数
- private final long workerIdBits = 5L;
- private final long datacenterIdBits = 5L;
-
- // 支持的最大机器ID
- private final long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits);
- private final long maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits);
-
- // 序列号所占的位数
- private final long sequenceBits = 12L;
-
- // 机器ID左移位数
- private final long workerIdShift = sequenceBits;
- private final long datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;
- private final long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits;
-
- // 序列号掩码
- private final long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);
-
- private long workerId;
- private long datacenterId;
- private long sequence = 0L;
- private long lastTimestamp = -1L;
-
- public SnowflakeIdWorker(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;
- }
-
- 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) {
- sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;
- if (sequence == 0) {
- timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp);
- }
- } else {
- sequence = 0L;
- }
-
- lastTimestamp = timestamp;
-
- return ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) |
- (datacenterId << datacenterIdShift) |
- (workerId << workerIdShift) |
- sequence;
- }
-
- protected long tilNextMillis(long lastTimestamp) {
- long timestamp = timeGen();
- while (timestamp <= lastTimestamp) {
- timestamp = timeGen();
- }
- return timestamp;
- }
-
- protected long timeGen() {
- return System.currentTimeMillis();
- }
- }
雪花算法是一种高效、可靠的分布式ID生成方案,解决了在分布式系统中ID重复和生成效率的问题。通过时间戳、机器ID和序列号的组合,确保了ID的全局唯一性和有序性。在实际应用中,雪花算法被广泛用于订单系统、用户系统等需要唯一标识符的场景,是一种非常实用的分布式ID生成方案。