Java实现Snowflake算法

算法定义

Snowflake算法是一种生成全局唯一且有序的ID的算法，广泛应用于分布式系统中。它的核心思想是，用一个64位的二进制数来表示一个唯一的ID，其中43位表示时间戳(单位毫秒)，10位表示工作机器id，以及11位表示序列号。通过这种方式，可以在不同的机器、不同的进程之间生成唯一ID，支持高并发、高性能、高可用的系统架构设计。

算法优点

1. 生成的ID具有全局唯一性，不同机器、不同进程之间不会出现ID冲突。

2. 生成的ID具有时间序列性，可以根据ID快速进行时间排序，支持快速查询和检索。

3. 算法简单，易于实现和维护。

算法存在的一些限制和局限性

1. 依赖时钟的连续性，需要保证时钟的连续性，避免时间回拨等问题。

2. 每台机器生成的ID数是有限的，最多可以生成4096个ID。

3. 在高并发和高负载下，可能会产生冲突和性能瓶颈，需要进行优化和调整。

Snowflake算法的具体实现

1. 将时间戳的值(毫秒级)左移22位，占据高位的43位，可以表示到下一个时间戳需要的毫秒数。注意到这里偏移了一个固定的时间戳，避免了一个时间回拨可能会导致的ID重复问题。

2. 将工作机器id左移12位，占据中间的10位。

3. 将序列号占据低位的11位。在同一个毫秒内，序列号会不断自增，可以避免同一个机器在同一时间戳下生成相同的ID。

4. 在生成ID时，需要保证多线程环境下序列号的原子性，避免冲突。

JAVA实现

/**
 * @author Raphael
 * Created at 2023/5/15 15:23
 */
public class SnowFlake {
    //起始的时间戳
    private final static long START_STAMP = 1480166465631L;

    //每一部分占用的位数
    private final static long SEQUENCE_BIT = 12; //序列号占用的位数
    private final static long MACHINE_BIT = 5;   //机器标识占用的位数
    private final static long DATA_CENTER_BIT = 5;//数据中心占用的位数

    //每一部分的最大值
    private final static long MAX_DATA_CENTER_NUM = ~(-1L << DATA_CENTER_BIT);
    private final static long MAX_MACHINE_NUM = ~(-1L << MACHINE_BIT);
    private final static long MAX_SEQUENCE = ~(-1L << SEQUENCE_BIT);

    //每一部分向左的位移
    private final static long MACHINE_LEFT = SEQUENCE_BIT;
    private final static long DATA_CENTER_LEFT = SEQUENCE_BIT + MACHINE_BIT;
    private final static long TIMESTAMP_LEFT = DATA_CENTER_LEFT + DATA_CENTER_BIT;

    private final long dataCenterId;  //数据中心
    private final long machineId;     //机器标识
    private long sequence = 0L; //序列号
    private long lastStamp = -1L;//上一次时间戳

    public SnowFlake(long dataCenterId, long machineId) {
        if (dataCenterId > MAX_DATA_CENTER_NUM || dataCenterId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("dataCenterId can't be greater than MAX_DATA_CENTER_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;
    }

    //产生下一个ID
    public synchronized String nextId() {
        long currStamp = getNewStamp();
        if (currStamp < lastStamp) {
            throw new RuntimeException("Clock moved backwards.  Refusing to generate id");
        }

        if (currStamp == lastStamp) {
            //相同毫秒内，序列号自增
            sequence = (sequence + 1) & MAX_SEQUENCE;
            //同一毫秒的序列数已经达到最大
            if (sequence == 0L) {
                currStamp = getNextMill();
            }
        } else {
            //不同毫秒内，序列号置为0
            sequence = 0L;
        }

        lastStamp = currStamp;

        long id = (currStamp - START_STAMP) << TIMESTAMP_LEFT //时间戳部分
                | dataCenterId << DATA_CENTER_LEFT       //数据中心部分
                | machineId << MACHINE_LEFT             //机器标识部分
                | sequence;                             //序列号部分

        return String.valueOf(id);
    }

    private long getNextMill() {
        long mill = getNewStamp();
        while (mill <= lastStamp) {
            mill = getNewStamp();
        }
        return mill;
    }

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