Java 雪花 ID 生成器

在分布式系统中，生成唯一标识符（ID）是个常见的需求。传统的自增长 ID 在分布式环境中可能会产生冲突。为了解决这个问题，Twitter 提出的雪花（Snowflake）算法应运而生，它可以高效地生成全球唯一的 64 位整数 ID。本文将介绍 Java 中的雪花 ID 生成器，并提供相关的代码示例。

雪花 ID 生成器原理

雪花 ID 一般由五部分组成：

  1. 符号位（1 位）：始终为 0。
  2. 时间戳（41 位）：当前时间戳，单位为毫秒。在 69 年后需要更换算法。
  3. 机器 ID（10 位）：分布式系统中不同节点的唯一标识，可以根据机器ID和数据中心ID组合。
  4. 序列号（12 位）：同一毫秒内生成的 ID 序列号，避免重复。

这样，雪花 ID 具有高并发、高可用性和唯一性的特点。

Java 实现

接下来我们将详细介绍如何用 Java 实现一个雪花 ID 生成器。

代码示例

下面是一个简单的雪花 ID 生成器的实现：

public class SnowflakeIdGenerator {
    // 起始时间戳
    private final long epoch = 1577836800000L; // 2020-01-01 00:00:00
    // 机器ID位数
    private final long machineIdBits = 5L;    // 32个节点
    // 数据中心ID位数
    private final long datacenterIdBits = 5L; // 32个中心
    // 最大机器ID
    private final long maxMachineId = -1L ^ (-1L << machineIdBits);
    // 最大数据中心ID
    private final long maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits);
    // 序列号位数
    private final long sequenceBits = 12L;     // 每毫秒4096个
    // 机器ID位偏移
    private final long machineIdShift = sequenceBits;
    // 数据中心ID位偏移
    private final long datacenterIdShift = sequenceBits + machineIdBits;
    // 时间戳位偏移
    private final long timestampLeftShift = sequenceBits + machineIdBits + datacenterIdBits;

    private long lastTimestamp = -1L;
    private long sequence = 0L;
    private final long machineId;
    private final long datacenterId;

    public SnowflakeIdGenerator(long machineId, long datacenterId) {
        if (machineId > maxMachineId || machineId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("Machine ID can't be greater than " + maxMachineId + " or less than 0");
        }
        if (datacenterId > maxDatacenterId || datacenterId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("Datacenter ID can't be greater than " + maxDatacenterId + " or less than 0");
        }
        this.machineId = machineId;
        this.datacenterId = datacenterId;
    }

    public synchronized long nextId() {
        long timestamp = System.currentTimeMillis();

        if (timestamp < lastTimestamp) {
            throw new RuntimeException("Timestamp is moving backwards. Rejecting requests until " + lastTimestamp);
        }

        if (lastTimestamp == timestamp) {
            sequence = (sequence + 1) & (1L << sequenceBits - 1); // 12位序列号
        } else {
            sequence = 0L; // 时间戳改变，重置序列号
        }

        lastTimestamp = timestamp;

        // 形成最终的ID
        return ((timestamp - epoch) << timestampLeftShift) 
                | (datacenterId << datacenterIdShift) 
                | (machineId << machineIdShift) 
                | sequence;
    }
}

使用示例

下面是如何使用 SnowflakeIdGenerator 类生成 ID：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建雪花 ID 生成器，假设机器ID为1，数据中心ID为1
        SnowflakeIdGenerator generator = new SnowflakeIdGenerator(1, 1);
        
        // 生成ID
        long id = generator.nextId();
        System.out.println("生成的ID: " + id);
    }
}

类图

下面是雪花 ID 生成器的类图：

classDiagram
    class SnowflakeIdGenerator {
        +long epoch
        +long machineId
        +long datacenterId
        +long nextId()
    }

总结

雪花 ID 生成器是一个高效、简洁并且具备容错能力的 ID 生成解决方案，尤其适合用于分布式系统。在设计分布式应用时，独特的 ID 生成方式可以避免数据冲突，提高系统的可用性和扩展性。希望本文对了解雪花 ID 生成器有所帮助，鼓励读者在自己的项目中进行尝试！