0、背景了解
0.1 分布式ID的特点
全局唯一性
不能出现有重复的ID标识，这是基本要求。
递增性
确保生成ID对于用户或业务是递增的。
高可用性
确保任何时候都能生成正确的ID。
高性能性
在高并发的环境下依然表现良好
0.2分布式ID的常见解决方案
UUID
Java自带的生成一串唯一随机36位字符串（32个字符串+4个“-”）的算法。它可以保证唯一性，且据说够用N亿年，但是其业务可读性差，无法有序递增。
SnowFlake
今天的主角雪花算法，它是Twitter开源的由64位整数组成分布式ID，性能较高，并且在单机上递增。 具体参考：
https://github.com/twitter-archive/snowflake
UidGenerator
UidGenerator是百度开源的分布式ID生成器，其基于雪花算法实现。 具体参考：
https://github.com/baidu/uid-generator/blob/master/README.zh_cn.md
Leaf
Leaf是美团开源的分布式ID生成器，能保证全局唯一，趋势递增，但需要依赖关系数据库、Zookeeper等中间件。 具体参考：
https://tech.meituan.com/MT_Leaf.html
1、雪花算法的起源
snowflake中文的意思是 雪花，雪片，所以翻译成雪花算法。它最早是twitter内部使用的分布式环境下的唯一ID生成算法。在2014年开源。开源的版本由scala编写，大家可以再找个地址找到这版本。
https://github.com/twitter-archive/snowflake/tags
雪花算法产生的背景当然是twitter高并发环境下对唯一ID生成的需求，得益于twitter内部牛逼的技术，雪花算法流传至今并被广泛使用。它至少有如下几个特点：
能满足高并发分布式系统环境下ID不重复
基于时间戳，可以保证基本有序递增（有些业务场景对这个又要求）
不依赖第三方的库或者中间件
生成效率极高
2、雪花算法原理
1.第一位 占用1bit，其值始终是0，没有实际作用。
2.时间戳 占用41bit，精确到毫秒，总共可以容纳约69年的时间。
3.工作机器id 占用10bit，其中高位5bit是数据中心ID，低位5bit是工作节点ID，做多可以容纳1024个节点。
4.序列号 占用12bit，每个节点每毫秒0开始不断累加，最多可以累加到4095，一共可以产生4096个ID。
SnowFlake算法在同一毫秒内最多可以生成多少个全局唯一ID呢：： 同一毫秒的ID数量 = 1024 X 4096 = 4194304
3、雪花算法java实现
public class SnowflakeIdWorker {
/**
* 开始时间截 (2015-01-01)
*/
private final long twepoch = 1420041600000L;
/**
* 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 (这个移位算法可以很快的计算出几位二进制数所能表示的最大十进制数)
*/
private final long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits);
/**
* 支持的最大数据标识id，结果是31
*/
private final long maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits);
/**
* 序列在id中占的位数
*/
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位(12+5)
*/
private final long datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;
/**
* 时间截向左移22位(5+5+12)
*/
private final long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits;
/**
* 生成序列的掩码，这里为4095 (0b111111111111=0xfff=4095)
*/
private final long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);
/**
* 工作机器ID(0~31)
*/
private long workerId;
/**
* 数据中心ID(0~31)
*/
private long datacenterId;
/**
* 毫秒内序列(0~4095)
*/
private long sequence = 0L;
/**
* 上次生成ID的时间截
*/
private long lastTimestamp = -1L;
/**
* 构造函数
* @param workerId 工作ID (0~31)
* @param datacenterId 数据中心ID (0~31)
*/
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;
}
/**
* 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 (lastTimestamp == timestamp) {
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 = tilNextMillis(lastTimestamp);
}
}
// 时间戳改变，毫秒内序列重置
else {
sequence = 0L;
}
// 上次生成ID的时间截
lastTimestamp = timestamp;
// 移位并通过或运算拼到一起组成64位的ID
return ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) //
| (datacenterId << datacenterIdShift) //
| (workerId << workerIdShift) //
| sequence;
}
/**
* 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 tilNextMillis(long lastTimestamp) {
long timestamp = timeGen();
while (timestamp <= lastTimestamp) {
timestamp = timeGen();
}
return timestamp;
}
/**
* 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();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SnowflakeIdWorker idWorker = new SnowflakeIdWorker(0, 0);
for (int i = 0; i < 10; i++) {
long id = idWorker.nextId();
Thread.sleep(1);
System.out.println(id);
}
}
}
4、一些细节讨论
4.1调整比特位分布
很多公司会根据 snowflake 算法，根据自己的业务做二次改造。举个例子。你们公司的业务评估不需要运行69年，可能10年就够了。但是集群的节点可能会超过1024个，这种情况下，你就可以把时间戳调整成39bit，然后workerid调整为12比特。同时，workerid也可以拆分下，比如根据业务拆分或者根据机房拆分等。类似如下
4.2workerid一般如何生成
方案有很多。比如我们公司以前用过通过jvm启动参数的方式传过来，应用启动的时候获取一个启动参数，保证每个节点启动的时候传入不同的启动参数即可。启动参数一般是通过-D选项传入，示例：
-Dname=value
1
然后我们在代码中可以通过
System.getProperty("name");
1
获取，或者通过 @value注解也能拿到。
还有问题，现在很多部署都是基于k8s的容器化部署，这种方案往往是基于同一个yaml文件一键部署多个容器。所以没法通过上面的方法每个节点传入不同的启动参数。
这个问题可以通过在代码中根据一些规则计算workerid，比如根据节点的IP地址等。下面给出一个方案：
private static long makeWorkerId() {
try {
String hostAddress = Inet4Address.getLocalHost().getHostAddress();
int[] ips = StringUtils.toCodePoints(hostAddress);
int sums = 0;
for (int ip: ips) {
sums += ip;
}
return (sums % 1024);
} catch (UnknownHostException e) {
return RandomUtils.nextLong(0, 1024);
}
}
这里其实是获取了节点的IP地址，然后把ip地址中的每个字节的ascii码值相加然后对最大值取模。当然这种方法是有可能产生重复的id的。
网上还有一些其它方案，比如取IP的后面10个比特位等。
总之不管用什么方案，都要尽量保证workerid不重复，否则即便是在并发量不高的情况下，也很容易出现id重复的情况
其实雪花算法每一部分占用的比特位数量并不是固定死的。例如你的业务可能达不到 69 年之久，那么可用减少时间戳占用的位数，雪花算法服务需要部署的节点超过1024 台，那么可将减少的位数补充给机器码用。
注意，雪花算法中 41 位比特位不是直接用来存储当前服务器毫秒时间戳的，而是需要当前服务器时间戳减去某一个初始时间戳值，一般可以使用服务上线时间作为初始时间戳值。
对于机器码，可根据自身情况做调整，例如机房号，服务器号，业务号，机器 IP 等都是可使用的。对于部署的不同雪花算法服务中，最后计算出来的机器码能区分开来即可。
5、优缺点
雪花算法有以下几个优点：
高并发分布式环境下生成不重复 id，每秒可生成百万个不重复 id。
基于时间戳，以及同一时间戳下序列号自增，基本保证 id 有序递增。
不依赖第三方库或者中间件。
算法简单，在内存中进行，效率高。
雪花算法有如下缺点：
依赖服务器时间，服务器时钟回拨时可能会生成重复 id。算法中可通过记录最后一个生成 id 时的时间戳来解决，每次生成 id 之前比较当前服务器时钟是否被回拨，避免生成重复 id。