雪花算法(SnowFlake)实现——Java与PHP

莫愁
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2020-07-05

简介分库分表后，id主键如何处理？其实这是分库分表后需要面对的一个问题，因为分成多个表后，我们需要一个全局唯一的 id 来支持。分布式id生成算法的有很多种，Twitter的SnowFlake就是其中经典的一种。
字数 3116

算法原理

SnowFlake算法生成id的结果是一个64bit大小的整数，它的结构如下图：

雪花算法(SnowFlake)实现——Java与PHP

snowflake算法来源于Twitter，使用scala语言实现，snowflake算法的特性是有序、唯一，并且要求高性能，低延迟（每台机器每秒至少生成10k条数据，并且响应时间在2ms以内），要在分布式环境（多集群，跨机房）下使用，因此snowflake算法得到的ID是分段组成的：

1bit：符号位，固定是0，表示全部ID都是正整数41bit：表示的是时间戳，单位是毫秒。
41 bits 可以表示的数字多达 2^41 - 1 ，也就是可以标识 2^41 - 1 个毫秒值，换算成年就是表示69年的时间。
10bit：机器ID，有异地部署，多集群的也可以配置，需要线下规划好各地机房，各集群，各实例ID的编号
12bit：序列ID，用来记录同一个毫秒内产生的不同 id，12 bits 可以代表的最大正整数是 2^12 - 1 = 4096 ，也就是说可以用这个 12 bits 代表的数字来区分同一个毫秒内的 4096 个不同的 id。

优点

毫秒数在高位，自增序列在低位，整个ID都是趋势递增的。
不依赖数据库等第三方系统，以服务的方式部署，稳定性更高，生成ID的性能也是非常高的。
可以根据自身业务特性分配bit位，非常灵活。

缺点

强依赖机器时钟，如果机器上时钟回拨，会导致发号重复或者服务会处于不可用状态。

代码

PHP

class SnowFlake
{
    const EPOCH    = 1591610968000; //开始时间,固定一个小于当前时间的毫秒数
    const max12bit = 4096;
    const max41bit = 1099511627775;

static $LAST_TIME_MID = 0; // 上次的机器id
    static $SEQUENCE_NUM  = 0; //

public static function createOnlyId()
    {
        // 时间戳 42字节
        $time = floor(microtime(true) * 10000);

// 当前时间 与 开始时间 差值
        $time -= self::EPOCH;
        // 二进制的 毫秒级时间戳
        $base = decbin(self::max41bit + $time);

// 获取序列数
        self::get_num();

// 获取机器id
        self::get_mid();

// 机器id  10 字节
        $machineid = str_pad(decbin(self::$LAST_TIME_MID), 10, "0", STR_PAD_LEFT);

// 序列数 12字节
        $random = str_pad(decbin(self::$SEQUENCE_NUM), 12, "0", STR_PAD_LEFT);
        // 拼接
        $base = $base . $machineid . $random;
        if (strpos(PHP_OS, "WIN") !== false)
        {
            //win下会科学计数 格式化
            return number_format(bindec($base), 0, '', ''); //输出16位id 4369796497932289
        }

return bindec($base); // 输出19位id 4940315248386113537
    }

//机器id 10位 1-1023
    public static function get_mid()
    {
        if (self::$SEQUENCE_NUM >= 4095)
        {
            self::$LAST_TIME_MID++;
            if (self::$LAST_TIME_MID > 1023)
            {
                self::$LAST_TIME_MID = 0;
            }
        }
    }
    //序列号 12位 1-4095
    public static function get_num()
    {
        self::$SEQUENCE_NUM++;
        if (self::$SEQUENCE_NUM > 4095)
        {
            self::$SEQUENCE_NUM = 0;
        }
    }
}

Java

public class IdWorker{

//下面两个每个5位，加起来就是10位的工作机器id
    private long workerId;    //工作id
    private long datacenterId;   //数据id
    //12位的序列号
    private long sequence;

public IdWorker(long workerId, long datacenterId, long sequence){
        // sanity check for workerId
        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));
        }
        System.out.printf("worker starting. timestamp left shift %d, datacenter id bits %d, worker id bits %d, sequence bits %d, workerid %d",
                timestampLeftShift, datacenterIdBits, workerIdBits, sequenceBits, workerId);

this.workerId = workerId;
        this.datacenterId = datacenterId;
        this.sequence = sequence;
    }

//初始时间戳
    private long twepoch = 1288834974657L;

//长度为5位
    private long workerIdBits = 5L;
    private long datacenterIdBits = 5L;
    //最大值
    private long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits);
    private long maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits);
    //序列号id长度
    private long sequenceBits = 12L;
    //序列号最大值
    private long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);
    
    //工作id需要左移的位数，12位
    private long workerIdShift = sequenceBits;
   //数据id需要左移位数 12+5=17位
    private long datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;
    //时间戳需要左移位数 12+5+5=22位
    private long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits;
    
    //上次时间戳，初始值为负数
    private long lastTimestamp = -1L;

public long getWorkerId(){
        return workerId;
    }

public long getDatacenterId(){
        return datacenterId;
    }

public long getTimestamp(){
        return System.currentTimeMillis();
    }

//下一个ID生成算法
    public synchronized long nextId() {
        long timestamp = timeGen();

//获取当前时间戳如果小于上次时间戳，则表示时间戳获取出现异常
        if (timestamp < lastTimestamp) {
            System.err.printf("clock is moving backwards.  Rejecting requests until %d.", lastTimestamp);
            throw new RuntimeException(String.format("Clock moved backwards.  Refusing to generate id for %d milliseconds",
                    lastTimestamp - timestamp));
        }

//获取当前时间戳如果等于上次时间戳（同一毫秒内），则在序列号加一；否则序列号赋值为0，从0开始。
        if (lastTimestamp == timestamp) {
            sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;
            if (sequence == 0) {
                timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp);
            }
        } else {
            sequence = 0;
        }
        
        //将上次时间戳值刷新
        lastTimestamp = timestamp;

/**
          * 返回结果：
          * (timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) 表示将时间戳减去初始时间戳，再左移相应位数
          * (datacenterId << datacenterIdShift) 表示将数据id左移相应位数
          * (workerId << workerIdShift) 表示将工作id左移相应位数
          * | 是按位或运算符，例如：x | y，只有当x，y都为0的时候结果才为0，其它情况结果都为1。
          * 因为个部分只有相应位上的值有意义，其它位上都是0，所以将各部分的值进行 | 运算就能得到最终拼接好的id
        */
        return ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) |
                (datacenterId << datacenterIdShift) |
                (workerId << workerIdShift) |
                sequence;
    }

//获取时间戳，并与上次时间戳比较
    private long tilNextMillis(long lastTimestamp) {
        long timestamp = timeGen();
        while (timestamp <= lastTimestamp) {
            timestamp = timeGen();
        }
        return timestamp;
    }

//获取系统时间戳
    private long timeGen(){
        return System.currentTimeMillis();
    }

//---------------测试---------------
    public static void main(String[] args) {
        IdWorker worker = new IdWorker(1,1,1);
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            System.out.println(worker.nextId());
        }
    }

}

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