雪花算法


SnowFlake 算法,是 Twitter 开源的分布式 id 生成算法。其核心思想就是:使用一个 64 bit 的 long 型的数字作为全局唯一 id。在分布式系统中的应用十分广泛,且ID 引入了时间戳,基本上保持自增的,后面的代码中有详细的注解。

这 64 个 bit 中,其中 1 个 bit 是不用的,然后用其中的 41 bit 作为毫秒数,用 10 bit 作为工作机器 id,12 bit 作为序列号。

给大家举个例子吧,比如下面那个 64 bit 的 long 型数字:
第一个部分,是 1 个 bit:0,这个是无意义的。
第二个部分是 41 个 bit:表示的是时间戳。
第三个部分是 5 个 bit:表示的是机房 id,10001。
第四个部分是 5 个 bit:表示的是机器 id,1 1001。
第五个部分是 12 个 bit:表示的序号,就是某个机房某台机器上这一毫秒内同时生成的 id 的序号,0000 00000000。

①1 bit:是不用的,为啥呢?

因为二进制里第一个 bit 为如果是 1,那么都是负数,但是我们生成的 id 都是正数,所以第一个 bit 统一都是 0。

②41 bit:表示的是时间戳,单位是毫秒。

41 bit 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。

③10 bit:记录工作机器 id,代表的是这个服务最多可以部署在 2^10 台机器上,也就是 1024 台机器。

但是 10 bit 里 5 个 bit 代表机房 id,5 个 bit 代表机器 id。意思就是最多代表 2 ^ 5 个机房(32 个机房),每个机房里可以代表 2 ^ 5 个机器(32 台机器),也可以根据自己公司的实际情况确定。

④12 bit:这个是用来记录同一个毫秒内产生的不同 id。

12 bit 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 bit 代表的数字来区分同一个毫秒内的 4096 个不同的 id。

简单来说,你的某个服务假设要生成一个全局唯一 id,那么就可以发送一个请求给部署了 SnowFlake 算法的系统,由这个 SnowFlake 算法系统来生成唯一 id。

这个 SnowFlake 算法系统首先肯定是知道自己所在的机房和机器的,比如机房 id = 17,机器 id = 12。

接着 SnowFlake 算法系统接收到这个请求之后,首先就会用二进制位运算的方式生成一个 64 bit 的 long 型 id,64 个 bit 中的第一个 bit 是无意义的。

接着 41 个 bit,就可以用当前时间戳(单位到毫秒),然后接着 5 个 bit 设置上这个机房 id,还有 5 个 bit 设置上机器 id。

最后再判断一下,当前这台机房的这台机器上这一毫秒内,这是第几个请求,给这次生成 id 的请求累加一个序号,作为最后的 12 个 bit。

最终一个 64 个 bit 的 id 就出来了,类似于:

这个算法可以保证说,一个机房的一台机器上,在同一毫秒内,生成了一个唯一的 id。可能一个毫秒内会生成多个 id,但是有最后 12 个 bit 的序号来区分开来。

下面我们简单看看这个 SnowFlake 算法的一个代码实现,这就是个示例,大家如果理解了这个意思之后,以后可以自己尝试改造这个算法。

总之就是用一个 64 bit 的数字中各个 bit 位来设置不同的标志位,区分每一个 id。

SnowFlake算法的优点:

(1)高性能高可用:生成时不依赖于数据库,完全在内存中生成。
(2)容量大:每秒中能生成数百万的自增ID。2的12次方
(3)ID自增:存入数据库中,索引效率高。

SnowFlake算法的缺点:

依赖与系统时间的一致性,如果系统时间被回调,或者改变,可能会造成id冲突或者重复。

实际中我们的机房并没有那么多,我们可以改进改算法,将10bit的机器id优化,成业务表或者和我们系统相关的业务。

snowflake缺点

雪花算法存在的缺点是:

  • 依赖机器时钟,如果机器时钟回拨,会导致重复ID生成
  • 在单机上是递增的,但是由于设计到分布式环境,每台机器上的时钟不可能完全同步,有时候会出现不是全局递增的情况(此缺点可以认为无所谓,一般分布式ID只要求趋势递增,并不会严格要求递增~90%的需求都只要求趋势递增)

snowflake 算法异常情况分析

整个ID生成过程中,启动的时候会对外部有依赖,因为需要知道当前的机器ID,之后就独立工作。

几种常见的异常情况分析:
问:如果某个时间戳的所有ID都被用完了,那怎么办?
答:就继续等待下一毫秒然后在生成ID

问:获取当前时间戳时,如果获取到的时间戳比之前一个1已生成的ID的时间戳还要小,怎么办?
答:snowflake的做法是继续获取当前机器的时间戳,直到获取更大的时间戳才继续生成ID(在这个过程中是不分配新的ID)
如果snowfalke运行的服务器上时钟有大量的偏差时,整个snowflake系统就不能正常工作(偏差越多,分配新ID等待的时间越久)

snowflake的官方文档中明确要求必须配置NTP,并且NTP配置成不可向后调整的模式。


文章作者: Bob
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