SnowflakeId雪花ID算法，分布式自增ID应用

概述

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snowflake是Twitter开源的分布式ID生成算法，结果是一个Long型的ID。其核心思想是：使用41bit作为毫秒数，10bit作为机器的ID（5个bit是数据中心，5个bit的机器ID），12bit作为毫秒内的序列号（意味着每个节点在每毫秒可以产生 4096 个 ID），最后还有一个符号位，永远是0。

特点：

1. 作为ID，肯定是唯一的；
2. 自增，依赖时间戳生成，序列号有序递增；
3. 支持非常大的业务ID生成，最大支持2^10=1024个业务节点，同一个节点一毫秒最多生成2^12=4096个ID，41位毫秒级时间可以使用（2^41 - 1）/(1000*60*60*24*365)=69.73，大约70年；
4. 实现简单，不依赖于其他第三方组件，甚至都不需要任何import。

结果是一个Long型的ID，64位，结构图如下：

1. 第1位固定是0，表示正数；
2. 第2-42共41位表示时间戳，当前时间的时间戳减去开始时间的时间戳；
3. 业务节点ID，每个节点固定的值；
4. 毫秒内的序列号。

实现

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清楚了结构后，就比较好实现了。

41bit-时间戳

当前时间的时间戳减去开始时间的时间戳，左移22位

(ts - beginTs) << timestampLeftOffset

10bit-工作机器ID

自定义的业务节点ID，固定的值，左移12位

workerId << workerIdLeftOffset

12bit-序列号

毫秒内序列号，以此递增，如果溢出就阻塞到下一秒从0开始计数

// 同一时间内，则计算序列号
if (ts == lastTimestamp) {
    // 序列号溢出
    if (++sequence > maxSequence) {
        ts = tilNextMillis(lastTimestamp);
        sequence = 0L;
    }
} else {
    // 时间戳改变，重置序列号
    sequence = 0L;
}

lastTimestamp = ts;

/**
 * 阻塞到下一个毫秒
 *
 * @param lastTimestamp
 * @return
 */
private long tilNextMillis(long lastTimestamp) {
    long ts = System.currentTimeMillis();
    while (ts <= lastTimestamp) {
        ts = System.currentTimeMillis();
    }

    return ts;
}

生成最终的ID

return (ts - beginTs) << timestampLeftOffset | workerId << workerIdLeftOffset | sequence;

完整代码

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最后贴出完整代码。

public class SnowflakeIdWorker {

    /**
     * 开始时间：2020-01-01 00:00:00
     */
    private final long beginTs = 1577808000000L;

    private final long workerIdBits = 10;

    /**
     * 2^10 - 1 = 1023
     */
    private final long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits);

    private final long sequenceBits = 12;

    /**
     * 2^12 - 1 = 4095
     */
    private final long maxSequence = -1L ^ (-1L << sequenceBits);

    /**
     * 时间戳左移22位
     */
    private final long timestampLeftOffset = workerIdBits + sequenceBits;

    /**
     * 业务ID左移12位
     */
    private final long workerIdLeftOffset = sequenceBits;

    /**
     * 合并了机器ID和数据标示ID，统称业务ID，10位
     */
    private long workerId;

    /**
     * 毫秒内序列，12位，2^12 = 4096个数字
     */
    private long sequence = 0L;

    /**
     * 上一次生成的ID的时间戳，同一个worker中
     */
    private long lastTimestamp = -1L;

    public SnowflakeIdWorker(long workerId) {
        if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException(String.format("WorkerId必须大于或等于0且小于或等于%d", maxWorkerId));
        }

        this.workerId = workerId;
    }

    public synchronized long nextId() {
        long ts = System.currentTimeMillis();
        if (ts < lastTimestamp) {
            throw new RuntimeException(String.format("系统时钟回退了%d毫秒", (lastTimestamp - ts)));
        }

        // 同一时间内，则计算序列号
        if (ts == lastTimestamp) {
            // 序列号溢出
            if (++sequence > maxSequence) {
                ts = tilNextMillis(lastTimestamp);
                sequence = 0L;
            }
        } else {
            // 时间戳改变，重置序列号
            sequence = 0L;
        }

        lastTimestamp = ts;

        // 0 - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 0 - 00000000 00 - 00000000 0000
        // 左移后，低位补0，进行按位或运算相当于二进制拼接
        // 本来高位还有个0<<63，0与任何数字按位或都是本身，所以写不写效果一样
        return (ts - beginTs) << timestampLeftOffset | workerId << workerIdLeftOffset | sequence;
    }

    /**
     * 阻塞到下一个毫秒
     *
     * @param lastTimestamp
     * @return
     */
    private long tilNextMillis(long lastTimestamp) {
        long ts = System.currentTimeMillis();
        while (ts <= lastTimestamp) {
            ts = System.currentTimeMillis();
        }

        return ts;
    }
}

补充

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这里面有大量的二进制位运算，目的只有一个：快。

规则：1为真，0为否，其实就是同位之间的布尔运算。

按位与：&

都为真就是真，其他都是否

1&1=1
1&0=0
0&1=0
0&0=0

按位或：|

只要有一个真就是真

1|1=1
1|0=1
0|1=1
0|0=0

异或：^

相同就是否，不同就是真

1^1=0
1^0=1
0^1=1
0^0=0

左移：<<

所有位向左移动多少位，低位补0，高位多出的直接删掉

右移：>>

所有位向右移动多少位，低位多出的删掉，高位是0补0，是1就补1

Java中的原码、补码和反码

原码

原码就是十进制数字的原始二进制表示，对于整数而言，最高位为符号位，1表示负数，0表示正数。以32位int型的整数2及-2举例：

2的原码：00000000 00000000 00000000 00000010

-2的原码：10000000 00000000 00000000 00000010

反码

正数的反码就是其原码，负数的反码除了最高位的符号位外，其他位取反（0改1，1改0）

2的反码：00000000 00000000 00000000 00000010

-2的反码：11111111 11111111 11111111 11111101

补码

正数的补码就是其原码，负数的补码是其反码加1

2的补码：00000000 00000000 00000000 00000010

-2的反码：11111111 11111111 11111111 11111101

-2的补码：11111111 11111111 11111111 11111110