全局唯一ID设计

在分布式系统中，经常需要使用

全局唯一ID

查找对应的数据。产生这种ID需要保证系统全局唯一，而且要高性能以及占用相对较少的空间。

全局唯一ID在数据库中一般会被设成主键，这样为了保证数据插入时索引的快速建立，还需要保持一个有序的趋势。

这样全局唯一ID就需要保证这两个需求：

全局唯一

趋势有序

全局ID产生的几种方式

数据库自增

当服务使用的数据库只有单库单表时，可以利用数据库的

auto_increment

来生成全局唯一递增ID.

优势：

简单，无需程序任何附加操作

保持定长的增量

在单表中能保持唯一性

劣势：

高并发下性能不佳，主键产生的性能上限是数据库服务器单机的上限。

水平扩展困难，在分布式数据库环境下，无法保证唯一性。

UUID

一般的语言中会自带UUID的实现，比如Java中UUID方式

UUID.randomUUID().toString()

，可以通过服务程序本地产生，ID的生成不依赖数据库的实现。

优势：

本地生成ID，不需要进行远程调用。

全局唯一不重复。

水平扩展能力非常好。

劣势：

ID有128 bits,占用的空间较大，需要存成字符串类型，索引效率极低。

生成的ID中没有带Timestamp，无法保证趋势递增

Twitter Snowflake

snowflake

是twitter开源的分布式ID生成算法，其核心思想是：产生一个long型的ID，使用其中41bit作为毫秒数，10bit作为机器编号，12bit作为毫秒内序列号。这个算法单机每秒内理论上最多可以生成

1000*(2^12)

个，也就是大约

400W

的ID，完全能满足业务的需求。

根据

snowflake

算法的思想，我们可以根据自己的业务场景，产生自己的全局唯一ID。因为Java中

long

类型的长度是64bits，所以我们设计的ID需要控制在64bits。

比如我们设计的ID包含以下信息：

| 41 bits: Timestamp | 3 bits: 区域 | 10 bits: 机器编号 | 10 bits: 序列号 |

产生唯一ID的

Java

代码：

import java.security.SecureRandom;

/**
* 自定义 ID 生成器
* ID 生成规则: ID长达 64 bits
*
* | 41 bits: Timestamp (毫秒) | 3 bits: 区域（机房） | 10 bits: 机器编号 | 10 bits: 序列号 |
*/
public class CustomUUID {
// 基准时间
private long twepoch = 1288834974657L; //Thu, 04 Nov 2010 01:42:54 GMT
// 区域标志位数
private final static long regionIdBits = 3L;
// 机器标识位数
private final static long workerIdBits = 10L;
// 序列号识位数
private final static long sequenceBits = 10L;

// 区域标志ID最大值
private final static long maxRegionId = -1L ^ (-1L << regionIdBits);
// 机器ID最大值
private final static long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits);
// 序列号ID最大值
private final static long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);

// 机器ID偏左移10位
private final static long workerIdShift = sequenceBits;
// 业务ID偏左移20位
private final static long regionIdShift = sequenceBits + workerIdBits;
// 时间毫秒左移23位
private final static long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + regionIdBits;

private static long lastTimestamp = -1L;

private long sequence = 0L;
private final long workerId;
private final long regionId;

public CustomUUID(long workerId, long regionId) {

// 如果超出范围就抛出异常
if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0) {
throw new IllegalArgumentException("worker Id can't be greater than %d or less than 0");
}
if (regionId > maxRegionId || regionId < 0) {
throw new IllegalArgumentException("datacenter Id can't be greater than %d or less than 0");
}

this.workerId = workerId;
this.regionId = regionId;
}

public CustomUUID(long workerId) {
// 如果超出范围就抛出异常
if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0) {
throw new IllegalArgumentException("worker Id can't be greater than %d or less than 0");
}
this.workerId = workerId;
this.regionId = 0;
}

public long generate() {
return this.nextId(false, 0);
}

/**
* 实际产生代码的
*
* @param isPadding
* @param busId
* @return
*/
private synchronized long nextId(boolean isPadding, long busId) {

long timestamp = timeGen();
long paddingnum = regionId;

if (isPadding) {
paddingnum = busId;
}

if (timestamp < lastTimestamp) {
try {
throw new Exception("Clock moved backwards.  Refusing to generate id for " + (lastTimestamp - timestamp) + " milliseconds");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}

//如果上次生成时间和当前时间相同,在同一毫秒内
if (lastTimestamp == timestamp) {
//sequence自增，因为sequence只有10bit，所以和sequenceMask相与一下，去掉高位
sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;
//判断是否溢出,也就是每毫秒内超过1024，当为1024时，与sequenceMask相与，sequence就等于0
if (sequence == 0) {
//自旋等待到下一毫秒
timestamp = tailNextMillis(lastTimestamp);
}
} else {
// 如果和上次生成时间不同,重置sequence，就是下一毫秒开始，sequence计数重新从0开始累加,
// 为了保证尾数随机性更大一些,最后一位设置一个随机数
sequence = new SecureRandom().nextInt(10);
}

lastTimestamp = timestamp;

return ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) | (paddingnum << regionIdShift) | (workerId << workerIdShift) | sequence;
}

// 防止产生的时间比之前的时间还要小（由于NTP回拨等问题）,保持增量的趋势.
private long tailNextMillis(final long lastTimestamp) {
long timestamp = this.timeGen();
while (timestamp <= lastTimestamp) {
timestamp = this.timeGen();
}
return timestamp;
}

// 获取当前的时间戳
protected long timeGen() {
return System.currentTimeMillis();
}
}

使用自定义的这种方法需要注意的几点：

为了保持增长的趋势，要避免有些服务器的时间早，有些服务器的时间晚，需要控制好所有服务器的时间，而且要避免

NTP时间服务器

回拨服务器的时间。

在跨毫秒时，序列号总是归0，会使得序列号为0的ID比较多，导致生成的ID取模后不均匀，所以序列号不是每次都归0，而是归一个0到9的随机数。

使用这个

CustomUUID

类，最好在一个系统中能保持单例模式运行。