1. SnowFlake 算法介绍

雪花算法是由 Twitter 公司开源的可在分布式系统中产生一个全局唯一 ID 的算法。最初 Twitter 把存储系统从 MySQL 迁移到 Cassandra，因为 Cassandra 没有顺序ID生成机制，所以开发了这样一套全局唯一ID生成服务。

SnowFlake 算法生成的 ID 是一个 64 位的整数，它的结构如下图所示：

• 第一部分：1bit 符号位，由于都是生成 ID 都是正数，所以第一位统一为0；

• 第二部分：41 bit 时间戳，单位是毫秒，41 位可以表示的数字多达 2^41 - 1，换算成年就是 69 年；

• 第三部分：5 bit 机房 ID，代表最多支持 32 个机房；

• 第四部分：5 bit 机器 ID，代表每个机房最多支持 32 台机器；

• 第五部分：12 bit，记录同一时间(毫秒)内产生的不同 id，也就是说同一毫秒内可以产生4096个不同 id。

SnowFlake 生成的 ID 整体上按照时间自增排序，并且整个分布式系统不会产生 ID 碰撞(由 DataCenterID 和 WorkerID 区分)，并且效率较高。

2. 实现

在实现 SnowFlake 基本功能的基础上，增加部分拓展功能：

• 定义开始时间戳，默认为 2020/01/01 08:00:00，如果使用默认的时间戳位数，那么该程序生成 ID 大概可以使用到 2089 年；

• 机房 ID 、机器 ID 和 序列 ID 三个数据段长度可以自定义，通过构造函数传入。

2.1 方法介绍

• timeGen

  • 描述：生成当前毫秒时间戳，相对于 2020年1月1日 8:00:00

  • 属性：private

  • 返回值：当前毫秒时间戳

• tilNextMillis

  • 描述：阻塞直到下一毫秒

  • 属性：private

  • 返回值：下一毫秒时间戳

• nextId

  • 描述：生成一个新的 ID

  • 返回值：新 ID

2.2流程图

2.3 代码实现

 1// SnowFlake.h 2 3#pragma once 4 5#include  6#include  7#include  8 9extern const uint64_t INVALID_ID = 0;1011class SnowFlake12{13public:14    SnowFlake(uint64_t datacenterId, uint64_t machineId, 15        uint64_t datacenterIdBit = 5, uint64_t machineIdBit = 5, uint64_t sequenceBit = 12)16        :   datacenterIdBit_(datacenterIdBit),17            machineIdBit_(machineIdBit),18            sequenceBit_(sequenceBit),19            maxDataCenterCount_(-1 ^ (uint64_t(-1) <20            maxMachineCount_(-1 ^ (uint64_t(-1) <21            maxSequenceCount_(-1 ^ (uint64_t(-1) <22            machineShift_(sequenceBit_),23            dataCenterShift_(machineShift_ + machineIdBit_),24            timestampShift_(dataCenterShift_ + datacenterIdBit_),25            datacenterId_(datacenterId),26            machineId_(machineId)            27    {28        if (datacenterIdBit + machineIdBit + sequenceBit != 64 - 1 - 41)29        {30            std::cout <"datacenterIdBit + machineIdBit + sequenceBit != 22, please check." <std::endl;31            exit(0);32        }33    }34    ~SnowFlake() {}3536    uint64_t nextId() {37        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);38        uint64_t currTimestsmp = timeGen();39        if (currTimestsmp 40            std::cout <"Clock has been moved backwards. Generate id failed." <std::endl;41            return INVALID_ID;42        }4344        if (currTimestsmp == lastTimestamp_) {45            sequence_ = (sequence_ + 1) & maxSequenceCount_;46            if (0 == sequence_) {47                currTimestsmp = tilNextMillis();48            }49        }50        else {51            sequence_ = 0;52        }5354        lastTimestamp_ = currTimestsmp;55        return lastTimestamp_ <56            | datacenterId_ <57            | machineShift_ <58            | sequence_;59    }6061protected:62    uint64_t timeGen() const {63        return std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch()).count() - startTimestamp_;64    }6566    uint64_t tilNextMillis() const {67        uint64_t mill = timeGen();68        while (mill <= lastTimestamp_) {69            mill = timeGen();70        }71        return mill;72    }7374private:75    const uint64_t startTimestamp_ = 1577836800000;    // 2020/01/01 08:00:0076    const uint64_t datacenterIdBit_;    77    const uint64_t machineIdBit_;78    const uint64_t sequenceBit_;7980    const uint64_t maxMachineCount_;81    const uint64_t maxDataCenterCount_;82    const uint64_t maxSequenceCount_;8384    const uint64_t machineShift_;85    const uint64_t dataCenterShift_;86    const uint64_t timestampShift_;8788    uint64_t lastTimestamp_ = 0;89    uint64_t datacenterId_  = 0;90    uint64_t machineId_     = 0;91    uint64_t sequence_      = 0;9293    std::mutex mutex_;94};

2.4 测试程序

该测试程序测试每秒生成 ID 的数量，基本上每秒可以生成 900000~1100000 左右：

 1#include  2 3#include "SnowFlake.h" 4 5int main() 6{ 7    std::chrono::steady_clock::time_point start_; 8    std::chrono::steady_clock::time_point end_; 910    SnowFlake uuid(5 , 10);11    start_ = std::chrono::steady_clock::now();12    uint64_t cnt = 0;1314    while (std::chrono::duration<double, std::milli>(std::chrono::steady_clock::now() - start_).count() 1000)15    {16        cnt++;17        uuid.nextId();18    }1920    std::cout <"SnowFlake generates " <" ids one second." <std::endl;21}

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