SpringBoot快速开发（六）【雪花算法（snowflake）自增ID】

参考：https://blog.csdn.net/linghuanxu/article/details/78896317

一、为什么用snowflake

数据库自增有自增ID，但是使用起来有以下几个问题：

会依赖于数据库的具体实现，比如，mysql有自增，oracle没有，得用序列，mongo似乎也没有。
自增ID是连续的，它就依赖于数据库自身的锁，所以数据库就有瓶颈。

雪花算法不依赖于数据库本身，是分布式id生成算法中比较经典的一种。整个ID的构成大概分为这么几个部分，时间戳差值，机器编码，进程编码，序列号。java的long是64位的从左向右依次介绍是：时间戳差值，在我们这里占了42位；机器编码5位；进程编码5位；序列号12位。所有的拼接用位运算拼接起来，于是就基本做到了每个进程中不会重复了。

二、代码

/**
 * id自增器（雪花算法）
 *
 * @author renjie
 * @version 1.0.0
 */
public class SnowFlake {
    private final static long twepoch = 12888349746579L;
    // 机器标识位数
    private final static long workerIdBits = 5L;
    // 数据中心标识位数
    private final static long datacenterIdBits = 5L;

    // 毫秒内自增位数
    private final static long sequenceBits = 12L;
    // 机器ID偏左移12位
    private final static long workerIdShift = sequenceBits;
    // 数据中心ID左移17位
    private final static long datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;
    // 时间毫秒左移22位
    private final static long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits;
    //sequence掩码，确保sequnce不会超出上限
    private final static long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);
    //上次时间戳
    private static long lastTimestamp = -1L;
    //序列
    private long sequence = 0L;
    //服务器ID
    private long workerId = 1L;
    private static long workerMask = -1L ^ (-1L << workerIdBits);
    //进程编码
    private long processId = 1L;
    private static long processMask = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits);

    private static SnowFlake snowFlake = null;

    static{
        snowFlake = new SnowFlake();
    }
    public static synchronized long nextId(){
        return snowFlake.getNextId();
    }

    private SnowFlake() {

        //获取机器编码
        this.workerId=this.getMachineNum();
        //获取进程编码
        RuntimeMXBean runtimeMXBean = ManagementFactory.getRuntimeMXBean();
        this.processId=Long.valueOf(runtimeMXBean.getName().split("@")[0]).longValue();

        //避免编码超出最大值
        this.workerId=workerId & workerMask;
        this.processId=processId & processMask;
    }

    public synchronized long getNextId() {
        //获取时间戳
        long timestamp = timeGen();
        //如果时间戳小于上次时间戳则报错
        if (timestamp < lastTimestamp) {
            try {
                throw new Exception("Clock moved backwards.  Refusing to generate id for " + (lastTimestamp - timestamp) + " milliseconds");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //如果时间戳与上次时间戳相同
        if (lastTimestamp == timestamp) {
            // 当前毫秒内，则+1，与sequenceMask确保sequence不会超出上限
            sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;
            if (sequence == 0) {
                // 当前毫秒内计数满了，则等待下一秒
                timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp);
            }
        } else {
            sequence = 0;
        }
        lastTimestamp = timestamp;
        // ID偏移组合生成最终的ID，并返回ID
        long nextId = ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) | (processId << datacenterIdShift) | (workerId << workerIdShift) | sequence;
        return nextId;
    }

    /**
     * 再次获取时间戳直到获取的时间戳与现有的不同
     * @param lastTimestamp
     * @return 下一个时间戳
     */
    private long tilNextMillis(final long lastTimestamp) {
        long timestamp = this.timeGen();
        while (timestamp <= lastTimestamp) {
            timestamp = this.timeGen();
        }
        return timestamp;
    }

    private long timeGen() {
        return System.currentTimeMillis();
    }

    /**
     * 获取机器编码
     * @return
     */
    private long getMachineNum(){
        long machinePiece;
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        Enumeration<NetworkInterface> e = null;
        try {
            e = NetworkInterface.getNetworkInterfaces();
        } catch (SocketException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
        while (e.hasMoreElements()) {
            NetworkInterface ni = e.nextElement();
            sb.append(ni.toString());
        }
        machinePiece = sb.toString().hashCode();
        return machinePiece;
    }
}

使用：

long id = SnowFlake.nextId();

三、解读

ID生成逻辑

　　我们先看最后一步：long nextId = ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) | (processId << datacenterIdShift) | (workerId << workerIdShift) | sequence;
　　这句话什么意思呢？
　　timestamp - twepoch：时间戳减去一个时间戳，获得一个差值。
　　((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift)：timestampLeftShift是22，这个操作是将这个差值向左移22位，左移空出来的会自动补0，我们就有了22位的空间了。
　　后面可以看到三个|符号，与操作会把1都加进来，而我们后面的数也都在各自的位上才有1，那么|操作就把这些数合进来了。
　　(processId << datacenterIdShift)：进程编码左移datacenterIdShift，这个是17位，而processId最多是5位，于是刚好填满空位
　　(workerId << workerIdShift)：与进程编码类似，机器编码也是5位，左移12位
　　sequence最大12位。

如何确保不超出位数限制

　　前面的逻辑中，我们说了很多不超出位数限制啥的内容，那么，具体是怎么做到的呢？我们拿workerId举个例子：
this.workerId=workerId & workerMask;
　　这是我们确保workerId不超过5位的语句，什么意思呢？不经常操作位运算真看不懂。我们先看看workerMask是啥。
　　private static long workerMask= -1L ^ (-1L << workerIdBits);
　　。。。什么意思呀？它先执行的是-1L << workerIdBits，workerIdBits是5。这又是什么意思呢？注意，这是位运算，long用的是补码，-1L，就是64个1，这里使用-1是为了格式化所有位数，<<是左移运算，-1L左移五位，低位补零，也就是左移空出来的会自动补0，于是就低位五位是0，其余是1。然后^这个符号，是异或，也是位运算，位上相同则为0，不通则为1，和-1做异或，则把所有的0和1颠倒了一下。这时候，我们再看，workerId & workerMask，与操作，两个位上都为1的才能唯一，否则为零，workerMask高位都是0，所以，不管workerId高位是什么，都是0,；而workerMask低位都是1，所以，不管workerId低位是什么，都会被保留，于是，我们就控制了workerId的范围。