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java算法之静态内部类实现雪花算法

2024-04-02 19:55

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概述

在生成表主键ID时，我们可以考虑主键自增或者 UUID,但它们都有很明显的缺点

主键自增：1、自增ID容易被爬虫遍历数据。2、分表分库会有ID冲突。

UUID: 1、太长，并且有索引碎片，索引多占用空间的问题 2、无序。

雪花算法就很适合在分布式场景下生成唯一ID,它既可以保证唯一又可以排序。为了提高生产雪花ID的效率，

在这里面数据的运算都采用的是位运算

一、概念

1、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：

算法描述：

1bit 因为二进制中最高位是符号位，1表示负数，0表示正数。生成的ID都是正整数，所以最高位固定为0。

41bit-时间戳精确到毫秒级，41位的长度可以使用69年。时间位还有一个很重要的作用是可以根据时间进行排序。

10bit-工作机器id 10位的机器标识，10位的长度最多支持部署1024个节点。

12bit-序列号序列号即一系列的自增id，可以支持同一节点同一毫秒生成多个ID序号。
12位（bit）可以表示的最大正整数是，即可以用0、1、2、3、....4094这4095个数字，来表示同一机器同一时间截（毫秒)内产生的4095个ID序号。

说明由于在Java中64bit的整数是long类型,所以在Java中SnowFlake算法生成的id就是long来存储的。

二、静态类部类单例模式生产雪花ID代码

下面生成雪花ID的代码可以用于线上分布式项目中来生成分布式主键ID,因为设计采用的静态内部类的单例模式，通过加synchronized锁来保证在

同一个服务器线程安全。至于不同服务器其实是不相关的,因为它们的机器码是不一致的,所以就算同一时刻两台服务器都产生了雪花ID,那也不会一样的。

1、代码


public class SnowIdUtils {
    
    private static class SnowFlake {

        
        private static final SnowIdUtils.SnowFlake SNOW_FLAKE = new SnowIdUtils.SnowFlake();
        
        private final long START_TIMESTAMP = 1557489395327L;
        
        private final long SEQUENCE_BIT = 12;
        
        private final long MACHINE_BIT = 10;
        
        private final long TIMESTAMP_LEFT = SEQUENCE_BIT + MACHINE_BIT;
        
        private final long MAX_SEQUENCE = ~(-1L << SEQUENCE_BIT);
        
        private final long MAX_MACHINE_ID = ~(-1L << MACHINE_BIT);
        
        private long machineIdPart;
        
        private long sequence = 0L;
        
        private long lastStamp = -1L;

        
        private SnowFlake() {
            //模拟这里获得本机机器编码
            long localIp = 4321;
            //localIp & MAX_MACHINE_ID最大不会超过1023,在左位移12位
            machineIdPart = (localIp & MAX_MACHINE_ID) << SEQUENCE_BIT;
        }
        
        public synchronized long nextId() {
            long currentStamp = timeGen();
            //避免机器时钟回拨
            while (currentStamp < lastStamp) {
                // //服务器时钟被调整了,ID生成器停止服务.
                throw new RuntimeException(String.format("时钟已经回拨.  Refusing to generate id for %d milliseconds", lastStamp - currentStamp));
            }
            if (currentStamp == lastStamp) {
                // 每次+1
                sequence = (sequence + 1) & MAX_SEQUENCE;
                // 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
                    currentStamp = getNextMill();
                }
            } else {
                //不同毫秒内，序列号置0
                sequence = 0L;
            }
            lastStamp = currentStamp;
            //时间戳部分+机器标识部分+序列号部分
            return (currentStamp - START_TIMESTAMP) << TIMESTAMP_LEFT | machineIdPart | sequence;
        }
        
        private long getNextMill() {
            long mill = timeGen();
            //
            while (mill <= lastStamp) {
                mill = timeGen();
            }
            return mill;
        }
        
        protected long timeGen() {
            return System.currentTimeMillis();
        }
    }

    
    public static long uniqueLong() {
        return SnowIdUtils.SnowFlake.SNOW_FLAKE.nextId();
    }
    
    public static String uniqueLongHex() {
        return String.format("%016x", uniqueLong());
    }

    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //计时开始时间
        long start = System.currentTimeMillis();
        //让100个线程同时进行
        final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(100);
        //判断生成的20万条记录是否有重复记录
        final Map<Long, Integer> map = new ConcurrentHashMap();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            //创建100个线程
            new Thread(() -> {
                for (int s = 0; s < 2000; s++) {
                    long snowID = SnowIdUtils.uniqueLong();
                    log.info("生成雪花ID={}",snowID);
                    Integer put = map.put(snowID, 1);
                    if (put != null) {
                        throw new RuntimeException("主键重复");
                    }
                }
                latch.countDown();
            }).start();
        }
        //让上面100个线程执行结束后，在走下面输出信息
        latch.await();
        log.info("生成20万条雪花ID总用时={}", System.currentTimeMillis() - start);
    }
}

2、测试结果

从图中我们可以得出

1、在100个线程并发下，生成20万条雪花ID的时间大概在1.6秒左右，所有所性能还是蛮ok的。

2、生成20万条雪花ID并没有一条相同的ID,因为有一条就会抛出异常了。

3、为什么说41位时间戳最长只能有69年

我们思考41的二进制，最大值也就41位都是1，也就是也就是说41位可以表示个毫秒的值，转化成单位年则是

年

我们可以通过代码泡一下就知道了。


public static void main(String[] args) {
    //41位二进制最小值
    String minTimeStampStr = "00000000000000000000000000000000000000000";
    //41位二进制最大值
    String maxTimeStampStr = "11111111111111111111111111111111111111111";
    //转10进制
    long minTimeStamp = new BigInteger(minTimeStampStr, 2).longValue();
    long maxTimeStamp = new BigInteger(maxTimeStampStr, 2).longValue();
    //一年总共多少毫秒
    long oneYearMills = 1L * 1000 * 60 * 60 * 24 * 365;
    //算出最大可以多少年
    System.out.println((maxTimeStamp - minTimeStamp) / oneYearMills);
}

运行结果