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。
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uint64_t generateStamp() { timeval tv;
gettimeofday(&tv, 0);
return (uint64_t)tv.tv_sec * 1000 + (uint64_t)tv.tv_usec / 1000;
} |
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”。
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uint64_t waitNextMs(uint64_t lastStamp) { uint64_t cur = 0;
do {
cur = generateStamp();
} while (cur <= lastStamp);
return cur;
} |
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:
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