基于Spring Boot的可直接运行的分布式ID生成器的实现以及SnowFlake算法详解
背景
最近对snowflake比较感兴趣，就看了一些分布式唯一ID生成器（发号器）的开源项目的源码，例如百度的uid-generator，美团的leaf。大致看了一遍后感觉uid-generator代码写的要更好一些，十分的精炼，短小精悍。
正好手头有个任务要搞个发号器，百度的这个源码是不能直接运行起来提供服务的，为了练练手，就把百度的uid-generator迁移到spring boot上重写了一遍。
代码基本一模一样，就做了一些工程化的东西，让uid-generator能以服务的形式跑起来，通过http接口对外提供服务。
可运行的代码地址：点这里
SnowFlake数据结构
这里借用一下uid-generator的图：
这一个结构就是一个snowflake算法里的id，共计64位，就是一个long。
sign是一个恒为0的值，是为了保证算出的id恒为正数。
delta seconds (28 bits)
当前时间，相对于时间基点"2016-05-20"的增量值，单位：秒，最多可支持约8.7年。时间基点是自己配置的。28位即最大表示2^28的数值的秒数，换算一下就是8.7年左右。
worker id (22 bits)
机器id，最多可支持约420w次机器启动。内置实现为在启动时由数据库分配。420w = 2^22
sequence (13 bits)
每秒下的并发序列，13 bits可支持每秒8192个并发，即2^13个并发
这些位数都是可以改变的，对于很多公司来说，28位 delta seconds带来的8.7年的最大支持时间是可预期的不够用的，而22bit的worker id和13bit的sequence则是远远超出可预期的业务场景的，那么就可以自由的根据自己的需求，对这三个参数进行调整。
例如，{"workerBits":20,"timeBits":31,"seqBits":12}这样的配置可以68年，100W次重启，单机每秒4096个并发的情况，个人感觉还是比较合适的。
snowflake的实现有很多种方式，不过思想上都是一样的。
SnowFlake发号实现
在了解SnowFlake的数据结构后，就可以来看看具体是如何生成ID的了。
其实这个过程，就是往delta seconds，sequence，worker id三个结构里填充数据的过程。
整体类图如下：
SnowFlakeGenerator就是基于SnowFlake算法的UidGenerator的实现类，SnowFlake的实现就是在这个类里；
BitsAllocator就是对SnowFlake 的ID进行位操作的共聚类；
DatabaseWorkerIdAssigner就是一个基于DB自增的worker id 分配器的实现。
BitsAllocator
这个类是进行一些位操作的工具类，给每一个id 的delta seconds，sequence，worker id赋值就是通过这个类来实现的。这个类有以下成员变量：
/** * Total 64 bits */public static final int TOTAL_BITS = 1 << 6;/** * Bits for [sign-> second-> workId-> sequence] */private int signBits = 1;private final int timestampBits;private final int workerIdBits;private final int sequenceBits;/** * Max value for workId & sequence */private final long maxDeltaSeconds;private final long maxWorkerId;private final long maxSequence;/** * Shift for timestamp & workerId *//** * timestamp需要位移多少位 */private final int timestampShift;/** * workerId需要位移多少位 */private final int workerIdShift;
其他字段都好说，看名称和注释都能明白。最下面俩shift，可能现在看着有些摸不着头脑，不过看后面的赋值过程就知道什么叫“shift”了
构造器：
/** * Constructor with timestampBits, workerIdBits, sequenceBits<br>
* The highest bit used for sign, so <code>63</code> bits for timestampBits, workerIdBits, sequenceBits */public BitsAllocator(int timestampBits, int workerIdBits, int sequenceBits) {// make sure allocated 64 bitsint allocateTotalBits = signBits + timestampBits + workerIdBits + sequenceBits;
Assert.isTrue(allocateTotalBits == TOTAL_BITS, "allocate not enough 64 bits");// initialize bitsthis.timestampBits = timestampBits;this.workerIdBits = workerIdBits;this.sequenceBits = sequenceBits;// initialize max value//先将-1左移timestampBits位，得到-10000...（timestampBits-1个零)//然后取反，得到1111（timestampBits-1）个1//等价于2的timestampBits次方-1this.maxDeltaSeconds = ~(-1L << timestampBits);this.maxWorkerId = ~(-1L << workerIdBits);this.maxSequence = ~(-1L << sequenceBits);// initialize shiftthis.timestampShift = workerIdBits + sequenceBits;this.workerIdShift = sequenceBits;
}
也很简单，重点就在 “~(-1L << timestampBits) ”这样一坨操作，可能理解起来会有些困难。这是一连串的位操作，这里进行一下分解：
-1 左移 timestampBits 位，也就是的到了-（2^timestampBits) 。实际的二进制看起来是10000......10000...（最前面的1是最高位，表示负数；第二个1后面有timestampBits-1个零)
对-（2^timestampBits)进行取反操作，的到了2的timestampBits次方-1。实际的二进制看起来就是1111（timestampBits-1个1）
这一通操作其实也就相当于2的timestampBits次方-1，也就是timestampBits位二进制最大能表示的数字，不过是用位运算来做的。如果不懂二进制的位移和取反，可以百度“位操作”补充一下基础，这里就不展开了。
分配操作：
/** * Allocate bits for UID according to delta seconds & workerId & sequence<br>
* <b>Note that: </b>The highest bit will always be 0 for sign
*
* 这里就是把不同的字段放到相应的位上
* id的总体结构是：
* sign (fixed 1bit) -> deltaSecond -> workerId -> sequence(within the same second)
* deltaSecond 左移（workerIdBits + sequenceBits）位，workerId左移sequenceBits位，此时就完成了字节的分配
* @param deltaSeconds
* @param workerId
* @param sequence
* @return */public long allocate(long deltaSeconds, long workerId, long sequence) {return (deltaSeconds << timestampShift) | (workerId << workerIdShift) | sequence;
}
这里就是对delta seconds，sequence，worker id三个结构进行赋值的地方了，核心代码之一。可以再看一下最上面的图，sequence是在最右侧（最低位），所以sequence不用做位移，直接就是在对的位置；
而workerId，需要左移workerIdShift才能到正确的位置。workerIdShift看上面的构造器，就是sequenceBits，就是sequence的位数；
deltaSeconds 左移timestampShift位，也就是workerIdBits + sequenceBits；
然后对这三个位移后的值进行“或”操作，就把正确的值赋到正确的位数上了。
DatabaseWorkerIdAssigner
SnowFlake中，deltaSeconds依赖时间戳，可以通过系统获取；sequence可以通过自增来控制；这俩字段都是项目可以自给自足的，而WorkerId则必须还有一个策略来提供。
这个策略要保证每次服务启动的时候拿到的WorkerId都能不重复，不然就有可能集群不同的机器拿到不同的workerid，会发重复的号了；
而服务启动又是个相对低频的行为，也不影响发号性能，所以可以用DB自增ID来实现。
DatabaseWorkerIdAssigner就是依赖DB自增ID实现的workerId分配器。
代码就不贴了，就是个简单的save然后取到DB的自增ID。
SnowFlakeGenerator
这里就是控制发号逻辑的地方了。
先看看成员变量和初始化部分：
@Value("${snowflake.timeBits}")protected int timeBits = 28;
@Value("${snowflake.workerBits}")protected int workerBits = 22;
@Value("${snowflake.seqBits}")protected int seqBits = 13;
@Value("${snowflake.epochStr}")/** Customer epoch, unit as second. For example 2016-05-20 (ms: 1463673600000)*/protected String epochStr = "2016-05-20";protected long epochSeconds = TimeUnit.MILLISECONDS.toSeconds(1463673600000L);
@Autowired
@Qualifier(value = "dbWorkerIdAssigner")protected WorkerIdAssigner workerIdAssigner;/** Stable fields after spring bean initializing */protected BitsAllocator bitsAllocator;protected long workerId;/** Volatile fields caused by nextId() */protected long sequence = 0L;protected long lastSecond = -1L;
@PostConstructpublic void afterPropertiesSet() throws Exception {
bitsAllocator = new BitsAllocator(timeBits,workerBits,seqBits);// initialize worker idworkerId = workerIdAssigner.assignWorkerId();if(workerId > bitsAllocator.getMaxWorkerId()){throw new RuntimeException("Worker id " + workerId + " exceeds the max " + bitsAllocator.getMaxWorkerId());
}if (StringUtils.isNotBlank(epochStr)) {this.epochSeconds = TimeUnit.MILLISECONDS.toSeconds(DateUtils.parseByDayPattern(epochStr).getTime());
}
log.info("Initialized bits(1, {}, {}, {}) for workerID:{}", timeBits, workerBits, seqBits, workerId);
}
@Value注入的都是配置文件里读取的值。
afterPropertiesSet里，将配置文件读取到的值传递给BitsAllocator，够造出一个对应的BitsAllocator；
然后生成一个workerId（插入一条DB记录），初始化过程就完成了。
再看核心发号控制逻辑：
/** * Get UID
*
* @return UID
* @throws UidGenerateException in the case: Clock moved backwards; Exceeds the max timestamp */protected synchronized long nextId() {long currentSecond = getCurrentSecond();// Clock moved backwards, refuse to generate uid//todo 时钟回拨问题待解决if (currentSecond < lastSecond) {long refusedSeconds = lastSecond - currentSecond;throw new UidGenerateException("Clock moved backwards. Refusing for %d seconds", refusedSeconds);
}// At the same second, increase sequence//同一秒内的，seq加一if (currentSecond == lastSecond) {//seq 加一，如果大于MaxSequence，就变成0//如果大于MaxSequence 就是seq能取到的最大值，二进制（seqBits -1）位全是1sequence = (sequence + 1) & bitsAllocator.getMaxSequence();// Exceed the max sequence, we wait the next second to generate uid//号发完了，等到下一秒if (sequence == 0) {
currentSecond = getNextSecond(lastSecond);
}// At the different second, sequence restart from zero} else {//新的一秒，重新开始发号sequence = 0L;
}
lastSecond = currentSecond;// Allocate bits for UIDreturn bitsAllocator.allocate(currentSecond - epochSeconds, workerId, sequence);
}
注意这是个synchronized方法，这是关键。
getCurrentSecond就是获取当前以秒为单位的时间戳；
sequence计算逻辑
如果currentSecond和lastSecond一样，那说明本次发号请求不是本秒的第一次，只要将sequence直接+1即可；如果+1后大于了MaxSequence（这里会用& bitsAllocator.getMaxSequence()设置为0），那说明本秒的sequence已经用完了，此时请求已经超出了本秒系统的最大吞吐量，这里需要调用getNextSecond(详见github)，来等待到下一秒；
如果currentSecond和lastSecond不一样，说名本次请求是全新的一秒，这时候sequence设置为0即可。
deltaSecond计算逻辑
就是currentSecond - epochSeconds，当前时间减去初始时间的秒数。
此时，workerId，deltaSecond，sequence都已经确定了具体的值，然后调用bitsAllocator.allocate方法，就可以生成一个全新的ID了，至此发号完成。