Java中雪花算法的实现

背景

在id生成器中，我们自己手写一个自增的id生成器很简单，也很好用。但这只是单机中的id生成器，当我们在集群中使用时，一个集群就会有一个id生成器实例，就意味着每一个集群的id都会从0开始，最后就会导致id出现重复的情况。这种情况下有没有更好的id生成器呢？

雪花算法（Snowflake）最初是在Twitter的内部产生的，其主要背景是Twitter在高并发环境下对唯一ID生成的需求。由于Twitter面临着大量的用户和数据交互，因此需要一种高效且能够生成全局唯一ID的算法来支持其分布式系统的运行。雪花算法就是在这样的背景下应运而生，并且由于其高效、可靠的特点，逐渐被广泛使用。（世界上没有一片雪花是相同的）

雪花算法

用一个接地气的说法来解释一下雪花算法。（此解释不一定是准确算法，但大致意思正确，为了更好地理解）

我们可以对每个机房进行id编号，在这基础上再对每个机房中的服务进行编号，这样生成的每一个id就不会出现重复的情况，就实现了全局id的唯一。

雪花算法的实现

机房号

机器号

时间戳

序列号（同一个机房同一个机器同一个时间时，想要并发产生大量id就使用到了序列号，就不会出现重复的id）。

我们可以设置机房号位5bit，机器号为5bit，时间戳是64bit以内，根据序列号使用12bit来规定，我们可以将时间戳设置为 42bit。

雪花算法的实现在宏观上来看就是将42位的时间戳左移22位让他占在id的前42位，然后让机房号占用第43到47位，以此类推，最后生成一个唯一的id。

我们先将这些号码位数规定好

java 复制代码

//起始时间戳
    public static final long START_STAMP = DateUtils.get("2024-1-1").getTime();

    public static final long ROOM_BIT = 5L;
    public static final long MACHINE_BIT = 5L;
    public static final long SEQUENCE_BIT = 12L;

然后将他们的最大值设定好来防止他们超过最大值而产生重复值。

java 复制代码

public static final long ROOM_MAX = ~(-1L << ROOM_BIT);
public static final long MACHINE_MAX = ~(-1L << MACHINE_BIT);
public static final long SEQUENCE_MAX = ~(-1L << SEQUENCE_BIT);

然后设定好他们要左移的位数。

java 复制代码

public static final long TIME_STAMP_LEFT = ROOM_BIT + MACHINE_BIT + SEQUENCE_BIT;

public static final long ROOM_LEFT = MACHINE_BIT + SEQUENCE_BIT;

public static final long MACHINE_LEFT = SEQUENCE_BIT;

声明好各个id。

java 复制代码

private long roomId;

private long machineId;

private AtomicLong sequenceId = new AtomicLong(0);

我们现在需要一个构造器来指定机房号和机器号。

java 复制代码

public IdGenerator(long roomId, long machineId) {
        if (roomId > ROOM_MAX || machineId > MACHINE_MAX){
            throw new IllegalArgumentException("机房号id或者机器号id不合法");
        }
        this.roomId = roomId;
        this.machineId = machineId;
    }

然后是获取id的逻辑，大体思路是获取当前与开始时间戳的差值时间戳，比较一下是否比上一次时间戳小，如果小的话，就抛出时钟回拨异常，然后与上次记录的时间戳进行比较，如果相同就使用原子类不断累加序列号，最后将这些id左移后并进行返回。

java 复制代码

public long getId(){
        long currentTime = System.currentTimeMillis();
        long timeStamp = currentTime - START_STAMP;

        if (timeStamp < lastTimeStamp){
            throw new RuntimeException("出现时钟回拨问题。");
        }

        if (timeStamp == lastTimeStamp){
            sequenceId.incrementAndGet();
            if (sequenceId.longValue() >= SEQUENCE_MAX){
                timeStamp = getNextTimeStamp();
                sequenceId.set(0);
            }
        } else {
            sequenceId.set(0);
        }

        lastTimeStamp = timeStamp;

        long sequence = sequenceId.longValue();

        return timeStamp << TIME_STAMP_LEFT | roomId << ROOM_LEFT | machineId << MACHINE_LEFT
                | sequence;
    }

在序列号累加之中可能会出现累加后大于最大值的情况，这时候我们可以再次获取一次时间戳，开始下一次的时间戳来生成id。

java 复制代码

 private long getNextTimeStamp() {
        long timeStamp = System.currentTimeMillis() - START_STAMP;
        while (timeStamp == lastTimeStamp){
            timeStamp = System.currentTimeMillis() - START_STAMP;
        }
        return timeStamp;
    }

以上就是雪花算法的实现，下面附上全部代码。

java 复制代码

package com.mhz;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

/**
 * 请求id生成器
 */
public class IdGenerator {

    //起始时间戳
    public static final long START_STAMP = DateUtils.get("2024-1-1").getTime();

    public static final long ROOM_BIT = 5L;
    public static final long MACHINE_BIT = 5L;
    public static final long SEQUENCE_BIT = 12L;

    public static final long ROOM_MAX = ~(-1L << ROOM_BIT);
    public static final long MACHINE_MAX = ~(-1L << MACHINE_BIT);
    public static final long SEQUENCE_MAX = ~(-1L << SEQUENCE_BIT);

    public static final long TIME_STAMP_LEFT = ROOM_BIT + MACHINE_BIT + SEQUENCE_BIT;

    public static final long ROOM_LEFT = MACHINE_BIT + SEQUENCE_BIT;

    public static final long MACHINE_LEFT = SEQUENCE_BIT;

    private long roomId;

    private long machineId;

    private AtomicLong sequenceId = new AtomicLong(0);

    private long lastTimeStamp;

    public IdGenerator(long roomId, long machineId) {
        if (roomId > ROOM_MAX || machineId > MACHINE_MAX){
            throw new IllegalArgumentException("机房号id或者机器号id不合法");
        }
        this.roomId = roomId;
        this.machineId = machineId;
    }

    public long getId(){
        long currentTime = System.currentTimeMillis();
        long timeStamp = currentTime - START_STAMP;

        if (timeStamp < lastTimeStamp){
            throw new RuntimeException("出现时钟回拨问题。");
        }

        if (timeStamp == lastTimeStamp){
            sequenceId.incrementAndGet();
            if (sequenceId.longValue() >= SEQUENCE_MAX){
                timeStamp = getNextTimeStamp();
                sequenceId.set(0);
            }
        } else {
            sequenceId.set(0);
        }

        lastTimeStamp = timeStamp;

        long sequence = sequenceId.longValue();

        return timeStamp << TIME_STAMP_LEFT | roomId << ROOM_LEFT | machineId << MACHINE_LEFT
                | sequence;
    }

    private long getNextTimeStamp() {
        long timeStamp = System.currentTimeMillis() - START_STAMP;
        while (timeStamp == lastTimeStamp){
            timeStamp = System.currentTimeMillis() - START_STAMP;
        }
        return timeStamp;
    }


    public static void main(String[] args) {
        IdGenerator idGenerator = new IdGenerator(1,2);
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(() -> System.out.println(idGenerator.getId())).start();
        }
    }
}