一篇文章完全搞懂snowflake算法及百度美團的最佳實踐

寫在前面的話

一提到分佈式ID自動生成方案，你們確定都很是熟悉，而且當即能說出自家拿手的幾種方案，確實，ID做爲系統數據的重要標識，重要性不言而喻，而各類方案也是歷經多代優化，請容許我用這個視角對分佈式ID自動生成方案進行分類：java

實現方式

徹底依賴數據源方式

ID的生成規則，讀取控制徹底由數據源控制，常見的如數據庫的自增加ID，序列號等，或Redis的INCR/INCRBY原子操做產生順序號等。mysql

半依賴數據源方式

ID的生成規則，有部分生成因子須要由數據源（或配置信息）控制，如snowflake算法。git

不依賴數據源方式

ID的生成規則徹底由機器信息獨立計算，不依賴任何配置信息和數據記錄，如常見的UUID，GUID等github

實踐方案

實踐方案適用於以上說起的三種實現方式，可做爲這三種實現方式的一種補充，旨在提高系統吞吐量，但原有實現方式的侷限性依然存在。算法

實時獲取方案

顧名思義，每次要獲取ID時，實時生成。簡單快捷，ID都是連續不間斷的，但吞吐量可能不是最高。sql

預生成方案

預先生成一批ID放在數據池裏，可簡單自增加生成，也能夠設置步長，分批生成，須要將這些預先生成的數據，放在存儲容器裏（JVM內存，Redis，數據庫表都可）。能夠較大幅度地提高吞吐量，但須要開闢臨時存儲空間，斷電宕機後可能會丟失已有ID，ID可能有間斷。docker

方案簡介

如下對目前流行的分佈式ID方案作簡單介紹數據庫

數據庫自增加ID

屬於徹底依賴數據源的方式，全部的ID存儲在數據庫裏，是最經常使用的ID生成辦法，在單體應用時期獲得了最普遍的使用，創建數據表時利用數據庫自帶的auto_increment做主鍵，或是使用序列完成其餘場景的一些自增加ID的需求。數組

優勢：很是簡單，有序遞增，方便分頁和排序。
缺點：分庫分表後，同一數據表的自增ID容易重複，沒法直接使用（能夠設置步長，但侷限性很明顯）；性能吞吐量整個較低，若是設計一個單獨的數據庫來實現分佈式應用的數據惟一性，即便使用預生成方案，也會由於事務鎖的問題，高併發場景容易出現單點瓶頸。
適用場景：單數據庫實例的表ID（包含主從同步場景），部分按天計數的流水號等；分庫分表場景、全系統惟一性ID場景不適用。

Redis生成ID

也屬於徹底依賴數據源的方式，經過Redis的INCR/INCRBY自增原子操做命令，能保證生成的ID確定是惟一有序的，本質上實現方式與數據庫一致。緩存

優勢：總體吞吐量比數據庫要高。
缺點：Redis實例或集羣宕機後，找回最新的ID值有點困難。
適用場景：比較適合計數場景，如用戶訪問量，訂單流水號（日期+流水號）等。

UUID、GUID生成ID

UUID：按照OSF制定的標準計算，用到了以太網卡地址、納秒級時間、芯片ID碼和許多可能的數字。由如下幾部分的組合：當前日期和時間(UUID的第一個部分與時間有關，若是你在生成一個UUID以後，過幾秒又生成一個UUID，則第一個部分不一樣，其他相同)，時鐘序列，全局惟一的IEEE機器識別號（若是有網卡，從網卡得到，沒有網卡以其餘方式得到）

GUID：微軟對UUID這個標準的實現。UUID還有其它各類實現，不止GUID一種，不一一列舉了。

這兩種屬於不依賴數據源方式，真正的全球惟一性ID

優勢：不依賴任何數據源，自行計算，沒有網絡ID，速度超快，而且全球惟一。
缺點：沒有順序性，而且比較長（128bit），做爲數據庫主鍵、索引會致使索引效率降低，空間佔用較多。
適用場景：只要對存儲空間沒有苛刻要求的都可以適用，好比各類鏈路追蹤、日誌存儲等。

四、snowflake算法（雪花算法）生成ID

屬於半依賴數據源方式，原理是使用Long類型（64位），按照必定的規則進行填充：時間（毫秒級）+集羣ID+機器ID+序列號，每部分佔用的位數能夠根據實際須要分配，其中集羣ID和機器ID這兩部分，在實際應用場景中要依賴外部參數配置或數據庫記錄。

優勢：高性能、低延遲、去中心化、按時間有序
缺點：要求機器時鐘同步（到秒級便可）
適用場景：分佈式應用環境的數據主鍵

雪花ID算法聽起來是否是特別適用分佈式架構場景？照目前來看是的，接下來咱們重點講解它的原理和最佳實踐。

snowflake算法實現原理

snowflake算法來源於Twitter，使用scala語言實現，利用Thrift框架實現RPC接口調用，最初的項目原由是數據庫從mysql遷移到Cassandra，Cassandra沒有現成可用的ID生成機制，就催生了這個項目，現有的github源碼有興趣能夠去看看。

snowflake算法的特性是有序、惟一，而且要求高性能，低延遲（每臺機器每秒至少生成10k條數據，而且響應時間在2ms之內），要在分佈式環境（多集羣，跨機房）下使用，所以snowflake算法獲得的ID是分段組成的：

與指定日期的時間差（毫秒級），41位，夠用69年
集羣ID + 機器ID， 10位，最多支持1024臺機器
序列，12位，每臺機器每毫秒內最多產生4096個序列號

如圖所示：

1bit：符號位，固定是0，表示所有ID都是正整數
41bit：毫秒數時間差，從指定的日期算起，夠用69年，咱們知道用Long類型表示的時間戳是從1970-01-01 00:00:00開始算起的，我們這裏的時間戳能夠指定日期，如2019-10-23 00:00:00
10bit：機器ID，有異地部署，多集羣的也能夠配置，須要線下規劃好各地機房，各集羣，各實例ID的編號
12bit：序列ID，前面都相同的話，最多能夠支持到4096個

以上的位數分配只是官方建議的，咱們能夠根據實際須要自行分配，好比說咱們的應用機器數量最多也就幾十臺，但併發數很大，咱們就能夠將10bit減小到8bit，序列部分從12bit增長到14bit等等

固然每部分的含義也能夠自由替換，如中間部分的機器ID，若是是雲計算、容器化的部署環境，隨時有擴容，縮減機器的操做，經過線下規劃去配置實例的ID不太現實，就能夠替換爲實例每重啓一次，拿一次自增加的ID做爲該部分的內容，下文會講解。

github上也有大神用Java作了snowflake最基本的實現，這裏直接查看源碼：snowflake java版源碼

/**
 * twitter的snowflake算法 -- java實現
 * 
 * @author beyond
 * @date 2016/11/26
 */
public class SnowFlake {

    /**
     * 起始的時間戳
     */
    private final static long START_STMP = 1480166465631L;

    /**
     * 每一部分佔用的位數
     */
    private final static long SEQUENCE_BIT = 12; //序列號佔用的位數
    private final static long MACHINE_BIT = 5;   //機器標識佔用的位數
    private final static long DATACENTER_BIT = 5;//數據中心佔用的位數

    /**
     * 每一部分的最大值
     */
    private final static long MAX_DATACENTER_NUM = -1L ^ (-1L << DATACENTER_BIT);
    private final static long MAX_MACHINE_NUM = -1L ^ (-1L << MACHINE_BIT);
    private final static long MAX_SEQUENCE = -1L ^ (-1L << SEQUENCE_BIT);

    /**
     * 每一部分向左的位移
     */
    private final static long MACHINE_LEFT = SEQUENCE_BIT;
    private final static long DATACENTER_LEFT = SEQUENCE_BIT + MACHINE_BIT;
    private final static long TIMESTMP_LEFT = DATACENTER_LEFT + DATACENTER_BIT;

    private long datacenterId;  //數據中心
    private long machineId;     //機器標識
    private long sequence = 0L; //序列號
    private long lastStmp = -1L;//上一次時間戳

    public SnowFlake(long datacenterId, long machineId) {
        if (datacenterId > MAX_DATACENTER_NUM || datacenterId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("datacenterId can't be greater than MAX_DATACENTER_NUM or less than 0");
        }
        if (machineId > MAX_MACHINE_NUM || machineId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("machineId can't be greater than MAX_MACHINE_NUM or less than 0");
        }
        this.datacenterId = datacenterId;
        this.machineId = machineId;
    }

    /**
     * 產生下一個ID
     *
     * @return
     */
    public synchronized long nextId() {
        long currStmp = getNewstmp();
        if (currStmp < lastStmp) {
            throw new RuntimeException("Clock moved backwards.  Refusing to generate id");
        }

        if (currStmp == lastStmp) {
            //相同毫秒內，序列號自增
            sequence = (sequence + 1) & MAX_SEQUENCE;
            //同一毫秒的序列數已經達到最大
            if (sequence == 0L) {
                currStmp = getNextMill();
            }
        } else {
            //不一樣毫秒內，序列號置爲0
            sequence = 0L;
        }

        lastStmp = currStmp;

        return (currStmp - START_STMP) << TIMESTMP_LEFT //時間戳部分
                | datacenterId << DATACENTER_LEFT       //數據中心部分
                | machineId << MACHINE_LEFT             //機器標識部分
                | sequence;                             //序列號部分
    }

    private long getNextMill() {
        long mill = getNewstmp();
        while (mill <= lastStmp) {
            mill = getNewstmp();
        }
        return mill;
    }

    private long getNewstmp() {
        return System.currentTimeMillis();
    }

    public static void main(String[] args) {
        SnowFlake snowFlake = new SnowFlake(2, 3);

        for (int i = 0; i < (1 << 12); i++) {
            System.out.println(snowFlake.nextId());
        }

    }
}複製代碼

基本上經過位移操做，將每段含義的數值，移到相應的位置上，如機器ID這裏由數據中心+機器標識組成，因此，機器標識向左移12位，就是它的位置，數據中心的編號向左移17位，時間戳的值向左移22位，每部分佔據本身的位置，各不干涉，由此組成一個完整的ID值。

這裏就是snowflake最基礎的實現原理，若是有些java基礎知識不記得了建議查一下資料，如二進制-1的表示是0xffff(裏面全是1)，<<表示左移操做，-1<<5等於-32，異或操做-1 ^ (-1 << 5)爲31等等。

瞭解snowflake的基本實現原理，能夠經過提早規劃好機器標識來實現，但目前的分佈式生產環境，借用了多種雲計算、容器化技術，實例的個數隨時有變化，還須要處理服務器實例時鐘回撥的問題，固定規劃ID而後經過配置來使用snowflake的場景可行性不高，通常是自動啓停，增減機器，這樣就須要對snowflake進行一些改造才能更好地應用到生產環境中。

百度uid-generator項目

UidGenerator項目基於snowflake原理實現，只是修改了機器ID部分的定義（實例重啓的次數），而且64位bit的分配支持配置，官方提供的默認分配方式以下圖：

Snowflake算法描述：指定機器 & 同一時刻 & 某一併發序列，是惟一的。據此可生成一個64 bits的惟一ID（long）。

sign(1bit) 固定1bit符號標識，即生成的UID爲正數。
delta seconds (28 bits)
當前時間，相對於時間基點"2016-05-20"的增量值，單位：秒，最多可支持約8.7年
worker id (22 bits) 機器id，最多可支持約420w次機器啓動。內置實現爲在啓動時由數據庫分配，默認分配策略爲用後即棄，後續可提供複用策略。
sequence (13 bits) 每秒下的併發序列，13 bits可支持每秒8192個併發。

具體的實現有兩種，一種是實時生成ID，另外一種是預先生成ID方式

DefaultUidGenerator

啓動時向數據庫WORKER_NODE表插入當前實例的IP，Port等信息，再獲取該數據的自增加ID做爲機器ID部分。
簡易流程圖以下：

提供獲取ID的方法，而且檢測是否有時鐘回撥，有回撥現象直接拋出異常，當前版本不支持時鐘順撥後漂移操做。簡易流程圖以下：

核心代碼以下：

/**
     * 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
        if (currentSecond < lastSecond) {
            long refusedSeconds = lastSecond - currentSecond;
            throw new UidGenerateException("Clock moved backwards. Refusing for %d seconds", refusedSeconds);
        }

        // At the same second, increase sequence
        if (currentSecond == lastSecond) {
            sequence = (sequence + 1) & bitsAllocator.getMaxSequence();
            // Exceed the max sequence, we wait the next second to generate uid
            if (sequence == 0) {
                currentSecond = getNextSecond(lastSecond);
            }

        // At the different second, sequence restart from zero
        } else {
            sequence = 0L;
        }

        lastSecond = currentSecond;

        // Allocate bits for UID
        return bitsAllocator.allocate(currentSecond - epochSeconds, workerId, sequence);
    }複製代碼

CachedUidGenerator

機器ID的獲取方法與上一種相同，這種是預先生成一批ID，放在一個RingBuffer環形數組裏，供客戶端使用，當可用數據低於閥值時，再次調用批量生成方法，屬於用空間換時間的作法，能夠提升整個ID的吞吐量。

與DefaultUidGenerator相比較，初始化時多了填充RingBuffer環形數組的邏輯，簡單流程圖以下：

核心代碼：

/**
     * Initialize RingBuffer & RingBufferPaddingExecutor
     */
    private void initRingBuffer() {
        // initialize RingBuffer
        int bufferSize = ((int) bitsAllocator.getMaxSequence() + 1) << boostPower;
        this.ringBuffer = new RingBuffer(bufferSize, paddingFactor);
        LOGGER.info("Initialized ring buffer size:{}, paddingFactor:{}", bufferSize, paddingFactor);

        // initialize RingBufferPaddingExecutor
        boolean usingSchedule = (scheduleInterval != null);
        this.bufferPaddingExecutor = new BufferPaddingExecutor(ringBuffer, this::nextIdsForOneSecond, usingSchedule);
        if (usingSchedule) {
            bufferPaddingExecutor.setScheduleInterval(scheduleInterval);
        }
        
        LOGGER.info("Initialized BufferPaddingExecutor. Using schdule:{}, interval:{}", usingSchedule, scheduleInterval);
        
        // set rejected put/take handle policy
        this.ringBuffer.setBufferPaddingExecutor(bufferPaddingExecutor);
        if (rejectedPutBufferHandler != null) {
            this.ringBuffer.setRejectedPutHandler(rejectedPutBufferHandler);
        }
        if (rejectedTakeBufferHandler != null) {
            this.ringBuffer.setRejectedTakeHandler(rejectedTakeBufferHandler);
        }
        
        // fill in all slots of the RingBuffer
        bufferPaddingExecutor.paddingBuffer();
        
        // start buffer padding threads
        bufferPaddingExecutor.start();
    }複製代碼

public synchronized boolean put(long uid) {
        long currentTail = tail.get();
        long currentCursor = cursor.get();

        // tail catches the cursor, means that you can't put any cause of RingBuffer is full
        long distance = currentTail - (currentCursor == START_POINT ? 0 : currentCursor);
        if (distance == bufferSize - 1) {
            rejectedPutHandler.rejectPutBuffer(this, uid);
            return false;
        }

        // 1. pre-check whether the flag is CAN_PUT_FLAG
        int nextTailIndex = calSlotIndex(currentTail + 1);
        if (flags[nextTailIndex].get() != CAN_PUT_FLAG) {
            rejectedPutHandler.rejectPutBuffer(this, uid);
            return false;
        }

        // 2. put UID in the next slot
        // 3. update next slot' flag to CAN_TAKE_FLAG
        // 4. publish tail with sequence increase by one
        slots[nextTailIndex] = uid;
        flags[nextTailIndex].set(CAN_TAKE_FLAG);
        tail.incrementAndGet();

        // The atomicity of operations above, guarantees by 'synchronized'. In another word,
        // the take operation can't consume the UID we just put, until the tail is published(tail.incrementAndGet())
        return true;
    }複製代碼

ID獲取邏輯，因爲有RingBuffer這個緩衝數組存在，獲取ID直接從RingBuffer取出便可，同時RingBuffer自身校驗什麼時候再觸發從新批量生成便可，這裏獲取的ID值與DefaultUidGenerator的明顯區別是，DefaultUidGenerator獲取的ID，時間戳部分就是當前時間的，CachedUidGenerator裏獲取的是填充時的時間戳，並非獲取時的時間，不過關係不大，都是不重複的，同樣用。簡易流程圖以下：

核心代碼：

public long take() {
        // spin get next available cursor
        long currentCursor = cursor.get();
        long nextCursor = cursor.updateAndGet(old -> old == tail.get() ? old : old + 1);

        // check for safety consideration, it never occurs
        Assert.isTrue(nextCursor >= currentCursor, "Curosr can't move back");

        // trigger padding in an async-mode if reach the threshold
        long currentTail = tail.get();
        if (currentTail - nextCursor < paddingThreshold) {
            LOGGER.info("Reach the padding threshold:{}. tail:{}, cursor:{}, rest:{}", paddingThreshold, currentTail,
                    nextCursor, currentTail - nextCursor);
            bufferPaddingExecutor.asyncPadding();
        }

        // cursor catch the tail, means that there is no more available UID to take
        if (nextCursor == currentCursor) {
            rejectedTakeHandler.rejectTakeBuffer(this);
        }

        // 1. check next slot flag is CAN_TAKE_FLAG
        int nextCursorIndex = calSlotIndex(nextCursor);
        Assert.isTrue(flags[nextCursorIndex].get() == CAN_TAKE_FLAG, "Curosr not in can take status");

        // 2. get UID from next slot
        // 3. set next slot flag as CAN_PUT_FLAG.
        long uid = slots[nextCursorIndex];
        flags[nextCursorIndex].set(CAN_PUT_FLAG);

        // Note that: Step 2,3 can not swap. If we set flag before get value of slot, the producer may overwrite the
        // slot with a new UID, and this may cause the consumer take the UID twice after walk a round the ring
        return uid;
    }複製代碼

另外有個細節能夠了解一下，RingBuffer的數據都是使用數組來存儲的，考慮CPU Cache的結構，tail和cursor變量若是直接用原生的AtomicLong類型，tail和cursor可能會緩存在同一個cacheLine中，多個線程讀取該變量可能會引起CacheLine的RFO請求，反而影響性能,爲了防止僞共享問題，特地填充了6個long類型的成員變量，加上long類型的value成員變量，恰好佔滿一個Cache Line（Java對象還有8byte的對象頭），這個叫CacheLine補齊，有興趣能夠了解一下，源碼以下：

public class PaddedAtomicLong extends AtomicLong {
    private static final long serialVersionUID = -3415778863941386253L;

    /** Padded 6 long (48 bytes) */
    public volatile long p1, p2, p3, p4, p5, p6 = 7L;

    /**
     * Constructors from {@link AtomicLong}
     */
    public PaddedAtomicLong() {
        super();
    }

    public PaddedAtomicLong(long initialValue) {
        super(initialValue);
    }

    /**
     * To prevent GC optimizations for cleaning unused padded references
     */
    public long sumPaddingToPreventOptimization() {
        return p1 + p2 + p3 + p4 + p5 + p6;
    }

}複製代碼

以上是百度uid-generator項目的主要描述，咱們能夠發現，snowflake算法在落地時有一些變化，主要體如今機器ID的獲取上，尤爲是分佈式集羣環境下面，實例自動伸縮，docker容器化的一些技術，使得靜態配置項目ID，實例ID可行性不高，因此這些轉換爲按啓動次數來標識。

美團ecp-uid項目

在uidGenerator方面，美團的項目源碼直接集成百度的源碼，略微將一些Lambda表達式換成原生的java語法，例如：

// com.myzmds.ecp.core.uid.baidu.impl.CachedUidGenerator類的initRingBuffer()方法
// 百度源碼
this.bufferPaddingExecutor = new BufferPaddingExecutor(ringBuffer, this::nextIdsForOneSecond, usingSchedule);

// 美團源碼
this.bufferPaddingExecutor = new BufferPaddingExecutor(ringBuffer, new BufferedUidProvider() {
    @Override
    public List<Long> provide(long momentInSecond) {
        return nextIdsForOneSecond(momentInSecond);
    }
}, usingSchedule);複製代碼

而且在機器ID生成方面，引入了Zookeeper，Redis這些組件，豐富了機器ID的生成和獲取方式，實例編號能夠存儲起來反覆使用，再也不是數據庫單調增加這一種了。

結束語

本篇簡單介紹了snowflake算法的原理及落地過程當中的改造，在此學習了優秀的開源代碼，並挑出部分進行了簡單的示例，美團的ecp-uid項目不但集成了百度現有的UidGenerator算法，原生的snowflake算法，還包含優秀的leaf segment算法，鑑於篇幅沒有詳盡描述。文章內有任何不正確或不詳盡之處請留言指出，謝謝。

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