Twitter的分布式自增ID算法Snowflake

Twitter-Snowflake算法产生的背景相当简单，为了满足Twitter每秒上万条消息的请求，每条消息都必须分配一条唯一的id，这些id还需要一些大致的顺序（方便客户端排序），并且在分布式系统中不同机器产生的id必须不同。

Snowflake算法核心

把 时间戳， 工作机器id， 序列号组合在一起。

除了最高位bit标记为不可用以外，其余三组bit占位均可浮动，看具体的业务需求而定。 默认情况下41bit的时间戳可以支持该算法使用到2082年，10bit的工作机器id可以支持1023台机器，序列号支持1毫秒产生4095个自增序列id。下文会具体分析。

Snowflake – 时间戳

这里时间戳的细度是毫秒级，具体代码如下，建议使用64位linux系统机器，因为有 vdso，gettimeofday()在用户态就可以完成操作，减少了进入内核态的损耗。

默认情况下有41个bit可以供使用，那么一共有T（1llu << 41）毫秒供你使用分配，年份 = T / (3600 * 24 * 365 * 1000) = 69.7年。如果你只给时间戳分配39个bit使用，那么根据同样的算法最后年份 = 17.4年。

Snowflake – 工作机器id

严格意义上来说这个bit段的使用可以是进程级， 机器级的话你可以使用MAC地址来唯一标示工作机器， 工作进程级可以使用IP+Path来区分工作进程。如果工作机器比较少，可以使用配置文件来设置这个id是一个不错的选择，如果机器过多配置文件的维护是一个灾难性的事情。

这里的解决方案是需要一个工作id分配的进程，可以使用自己编写一个简单进程来记录分配id，或者利用Mysql auto_increment机制也可以达到效果。

工作进程与工作id分配器只是在工作进程启动的时候交互一次，然后工作进程可以自行将分配的id数据落文件，下一次启动直接读取文件里的id使用。

PS：这个工作机器id的bit段也可以进一步拆分，比如用前5个bit标记进程id，后5个bit标记线程id之类:D

Snowflake – 序列号

序列号就是一系列的自增id（多线程建议使用atomic），为了处理在同一毫秒内需要给多条消息分配id，若同一毫秒把序列号用完了，则“等待至下一毫秒”。

总体来说，是一个很高效很方便的GUID产生算法，一个int64_t字段就可以胜任，不像现在主流128bit的GUID算法，即使无法保证严格的id序列性，但是对于特定的业务，比如用做游戏服务器端的GUID产生会很方便。另外，在多线程的环境下，序列号使用atomic可以在代码实现上有效减少锁的密度。

结构为：

   0---0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0 --- 00000 ---00000 ---0000000000 00

在上面的字符串中，第一位为未使用（实际上也可作为long的符号位），接下来的41位为毫秒级时间，然后5位datacenter标识位，5位机器ID（并不算标识符，实际是为线程标识），然后12位该毫秒内的当前毫秒内的计数，加起来刚好64位，为一个Long型。

这样的好处是，整体上按照时间自增排序，并且整个分布式系统内不会产生ID碰撞（由datacenter和机器ID作区分），并且效率较高，经测试，snowflake每秒能够产生26万ID左右，完全满足需要。

public class IdWorker {
    private final long        workerId;
    private final static long twepoch            = 1361753741828L;
    private long              sequence           = 0L;
    private final static long workerIdBits       = 4L;
    private final static long maxWorkerId        = -1L ^ -1L << workerIdBits;
    private final static long sequenceBits       = 10L;

    private final static long workerIdShift      = sequenceBits;
    private final static long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits;
    private final static long sequenceMask       = -1L ^ -1L << sequenceBits;

    private long              lastTimestamp      = -1L;

    public IdWorker(final long workerId) {
        super();
        if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException(String.format(
                "worker Id can't be greater than %d or less than 0", maxWorkerId));
        }
        this.workerId = workerId;
    }

    public synchronized long nextId() {
        long timestamp = this.timeGen();
        if (this.lastTimestamp == timestamp) {
            this.sequence = (this.sequence + 1) & sequenceMask;
            if (this.sequence == 0) {
                System.out.println("###########" + sequenceMask);
                timestamp = this.tilNextMillis(this.lastTimestamp);
            }
        } else {
            this.sequence = 0;
        }
        if (timestamp < this.lastTimestamp) {
            try {
                throw new Exception(String.format(
                    "Clock moved backwards.  Refusing to generate id for %d milliseconds",
                    this.lastTimestamp - timestamp));
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        this.lastTimestamp = timestamp;
        long nextId = ((timestamp - twepoch << timestampLeftShift))
                      | (this.workerId << workerIdShift) | (this.sequence);
        //  System.out.println("timestamp:" + timestamp + ",timestampLeftShift:"
        //       + timestampLeftShift + ",nextId:" + nextId + ",workerId:"
        //       + workerId + ",sequence:" + sequence);
        return nextId;
    }

    private long tilNextMillis(final long lastTimestamp) {
        long timestamp = this.timeGen();
        while (timestamp <= lastTimestamp) {
            timestamp = this.timeGen();
        }
        return timestamp;
    }

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

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        IdWorker worker2 = new IdWorker(2);
        System.out.println(worker2.nextId());
        Thread.sleep(1000L);
        System.out.println(worker2.nextId());
    }
}

Reference:

http://www.lanindex.com/twitter-snowflake/