UUID在Java中的實現與應用

UUID是什麼

UUID的全稱爲：Universally Unique IDentifier，也被稱爲GUID(Globally Unique IDentifier)。是一種由算法生成的惟一標識，它實質上是一個128位長的二進制整數。一般表示成32個16進制數組成的字符串，如：21EC2020-3AEA-1069-A2DD-08002B30309D。關於UUID標準的rfc定義詳見：http://www.ietf.org/rfc/rfc4122.txt。 固然，GUID一詞有時也專指微軟對UUID標準的實現，用於Windows操做系統中。

UUID的實現

UUID的格式是這樣的：xxxxxxxx-xxxx-Mxxx-Nxxx-xxxxxxxxxxxx，一共爲32個16進制數。
M那個位置，表明版本號，目前UUID的標準實現有5個版本，因此只會是1,2,3,4,5
N那個位置，只會是8,9,a,b

UUID的具體實現存在多個版本，分別爲：

1. 基於時間的UUID

基於時間的UUID經過計算當前時間戳、隨機數和機器MAC地址獲得。因爲在算法中使用了MAC地址，這個版本的UUID能夠保證在全球範圍的惟一性。但與此同時，使用MAC地址會帶來安全性問題，這就是這個版本UUID受到批評的地方。若是應用只是在局域網中使用，也可使用退化的算法，以IP地址來代替MAC地址。

2. DCE（Distributed Computing Environment）安全的UUID

和基於時間的UUID算法相同，但會把時間戳的前4位置換爲POSIX的UID或GID，這個版本的UUID在實際中較少用到。

3. 基於名稱空間的UUID（MD5）

基於名稱的UUID經過計算名稱和名稱空間的MD5散列值獲得，這個版本的UUID保證了：相同名稱空間中不一樣名稱生成的UUID的惟一性；不一樣名稱空間中的UUID的惟一性；相同名稱空間中相同名稱的UUID重複生成是相同的。

4. 基於隨機數的UUID

根據隨機數，或者僞隨機數生成UUID。這種UUID產生重複的機率是能夠計算出來的，但隨機的東西就像是買彩票：你期望它發財是不可能的，但狗屎運一般會在不經意中到來。可能在測試的時候多線程併發也不見得出現重複，可是卻不能保證系統正式上線以後不會出現不重複的UUID，特別是在分佈式系統中。

5. 基於名稱空間的UUID（SHA1）

和版本3的UUID算法相似，只是散列值計算使用SHA1（Secure Hash Algorithm 1）算法。

在Java中默認實現了基於名稱空間的UUID（UUID Version 3）和基於僞隨機數的UUID（UUID Version 4），分別爲：

/**
 * Static factory to retrieve a type 3 (name based) {@code UUID} based on
 * the specified byte array.
 *
 * @param  name
 *         A byte array to be used to construct a {@code UUID}
 *
 * @return  A {@code UUID} generated from the specified array
 */
public static UUID nameUUIDFromBytes(byte[] name) {
    MessageDigest md;
    try {
        md = MessageDigest.getInstance("MD5");
    } catch (NoSuchAlgorithmException nsae) {
        throw new InternalError("MD5 not supported", nsae);
    }
    byte[] md5Bytes = md.digest(name);
    md5Bytes[6]  &= 0x0f;  /* clear version        */
    md5Bytes[6]  |= 0x30;  /* set to version 3     */
    md5Bytes[8]  &= 0x3f;  /* clear variant        */
    md5Bytes[8]  |= 0x80;  /* set to IETF variant  */
    return new UUID(md5Bytes);
}

/**
 * Static factory to retrieve a type 4 (pseudo randomly generated) UUID.
 *
 * The {@code UUID} is generated using a cryptographically strong pseudo
 * random number generator.
 *
 * @return  A randomly generated {@code UUID}
 */
public static UUID randomUUID() {
    SecureRandom ng = Holder.numberGenerator;

    byte[] randomBytes = new byte[16];
    ng.nextBytes(randomBytes);
    randomBytes[6]  &= 0x0f;  /* clear version        */
    randomBytes[6]  |= 0x40;  /* set to version 4     */
    randomBytes[8]  &= 0x3f;  /* clear variant        */
    randomBytes[8]  |= 0x80;  /* set to IETF variant  */
    return new UUID(randomBytes);
}

除了Java默認的實現以外，還有一個開源的UUID實現庫能夠參考：https://github.com/cowtowncoder/java-uuid-generator， 這個庫支持實現UUID的V1，V3，V4和V5版本，在須要使用到惟一性ID的地方能夠酌情考慮使用。

關於UUID使用的思考和總結

UUID是爲了解決標識惟一性而提出的，這在分佈式應用場景下很是常見。例如，用戶登陸Token，數據庫記錄主鍵ID等等。可是對因而否可使用UUID（除了考慮惟一性以外，可能還要考慮有序性），以及使用哪一個版本的UUID實現（考慮到效率等因素）須要慎重。例如：雖然UUID能夠解決惟一性，可是卻不適合直接用於數據庫記錄主鍵ID，對於數據庫主鍵ID而言，除了考慮惟一性以外，還要考慮有序性，索引效率等因素。而在用戶登陸Token標識這種場景下使用UUID是能夠的，甚至在使用手機或郵箱做爲惟一名稱標識的場景下，可使用基於名稱空間的UUID。
一般來說，若是僅僅須要實現惟一性需求，那麼對於使用UUID有以下建議：

• 對於暴露MAC地址不敏感的場合，使用UUID V1是最佳選擇。固然了，也能夠經過對UUID進行MD5散列的方式進行保密，不過這須要考慮性能開銷。
• 若是能夠保證在指定命名空間內的名稱惟一性，例如手機號或者郵箱，那麼選擇UUID V3或者V5的實現也能保證惟一性。
• 對於UUID V4，若是是基於僞隨機數的實現，是存在出現重複UUID的機率的，若是對於ID惟一性要求不是十分嚴格的場景，這個版本的實現也能夠考慮。

另外，在各個語言平臺對應UUID實現的支持各不相同。
1.Java語言
默認只支持V3和V4（基於僞隨機數）兩種版本的實現

2.Python語言
支持V1，V3，V4，V5版本的UUID實現
Python的UUID V1基於時間戳和MAC地址，最後12個16進制字符就是網卡地址。

>>> import uuid
>>> uuid.uuid1()
UUID('d3a173de-0ca9-11e8-af24-f0d5bf9aedc1')
>>> uuid.uuid1()
UUID('73e4ac9e-0caa-11e8-aa82-f0d5bf9aedc1')

Python支持UUID V3實現，對名稱空間內的字符串進行MD5散列值生成UUID。

>>> uuid.uuid3(uuid.NAMESPACE_DNS,"chench")
UUID('a0fda26d-acf1-37da-ad64-7cac7753de92')
>>> uuid.uuid3(uuid.NAMESPACE_DNS,"chench")
UUID('a0fda26d-acf1-37da-ad64-7cac7753de92')

Python的UUID V4實現基於僞隨機數實現，這種UUID產生重複的機率是能夠計算出來的。

>>> uuid.uuid4()
UUID('d1437e20-95eb-446a-b9ca-9184013b8542')
>>> uuid.uuid4()
UUID('4dce6000-0ad5-4f35-84d8-6b434205d212')

與UUID V3的算法一致，不一樣的是UUID V5的散列算法爲SHA1。

>>> uuid.uuid5(uuid.NAMESPACE_DNS,"chench")
UUID('b8643db9-49d8-5a98-842d-14f3215f08cb')
>>> uuid.uuid5(uuid.NAMESPACE_DNS,"chench")
UUID('b8643db9-49d8-5a98-842d-14f3215f08cb')

【參考】
https://zh.wikipedia.org/wiki/通用惟一識別碼 UUID
https://zh.wikipedia.org/wiki/全局惟一標識符 GUID
https://www.jianshu.com/p/d77f3ef0868a 關於UUID的二三事
https://qtdebug.com/java-duplicate-uuid/ 測試 Java 生成 UUID 是否重複
http://www.infoq.com/cn/articles/talk-about-the-history-of-uuid UUID簡史