前言
“
嗨,everybody,我是asong,这是我的第十二篇文章,今天给大家介绍一下雪花算法。介绍雪花算法是次要的,因为大家都太熟悉了,主要目的是推荐一下我的新系列。今天,我突发奇想,想创建一个新系列。这个系列主要是存储我们日常工作开发中使用的算法,比如雪花算法、哈希算法等等。网络上关于这些算法的知识还是很多的,但是很杂,想找一个算法很不容易,还要看各种各样的博客,五花八门的。所以我们现在的想法就是想将这些算法整理到一起,全部采用go实现,并附带基础知识学习,代码说明这样的详细文档,这样我们想要学习一门新算法时,都可以在这里找到,如果没有也可以提交issues一块完善。目前也是刚刚起步,现在只有雪花算法的代码文档,以后会慢慢完善起来的,有兴趣的小伙伴欢迎加入进来,我们一起完善。详情请看github说明:https://github.com/asong2020/go-algorithm。
雪花算法背景
雪花算法产生的背景当然是twitter高并发环境下对唯一ID生成的需求,得益于twitter内部牛逼的技术,雪花算法能够流传于至今并且被广泛使用,是因为它有几个特点
- 能满足高并发分布式系统环境下ID不重复
- 生成效率高
- 基于时间戳,可以保证基本有序递增
- 不依赖于第三方的库或者中间件
- 生成的id具有时序性和唯一性
雪花算法原理
先来看一个图片吧,来源于网络:
由图我们可以看出来,snowFlake ID结构是一个64bit的int型数据。
- 第1位bit
在二进制中最高位为1,表示的是负数,因为我们使用的id应该都是整数,所以这里最高位应该是0。
- 41bit时间戳
41位可以表示2^41-1个数字,如果只用来表示正整数,可以表示的数值范围是:0 – (2^41 -1),这里减去1的原因就是因为数值范围是从0开始计算的,而不是从1开始的。
这里的单位是毫秒,所以41位就可以表示2^41-1个毫秒值,这样转化成单位年则是(2^41-1)/(1000 * 60 * 60 * 24 * 365) = 69
- 10bit-工作机器id
这里是用来记录工作机器的id。2^10=1024表示当前规则允许分布式最大节点数为1024个节点。这里包括5位的workerID和5位的dataCenterID,这里其实可以不区分,但我下面的代码进行了区分。
- 12bit-序列号
用来记录同毫秒内产生的不同id。12bit可以表示的最大正整数是2^12-1=4095,即可以用0,1,2,3,……4094这4095个数字,表示同一机器同一时间戳(毫秒)内产生的4095个ID序号。
原理就是上面这些,没有什么难度吧,下面我们看代码如何实现:
go实现雪花算法
1. 定义基本常量
先看代码,我们依次介绍:
const ( workerIDBits = uint64(5) // 10bit 工作机器ID中的 5bit workerID dataCenterIDBits = uint64(5) // 10 bit 工作机器ID中的 5bit dataCenterID sequenceBits = uint64(12) maxWorkerID = int64(-1) ^ (int64(-1) << workerIDBits) //节点ID的最大值 用于防止溢出 maxDataCenterID = int64(-1) ^ (int64(-1) << dataCenterIDBits) maxSequence = int64(-1) ^ (int64(-1) << sequenceBits) timeLeft = uint8(22) // timeLeft = workerIDBits + sequenceBits // 时间戳向左偏移量 dataLeft = uint8(17) // dataLeft = dataCenterIDBits + sequenceBits workLeft = uint8(12) // workLeft = sequenceBits // 节点IDx向左偏移量 // 2020-05-20 08:00:00 +0800 CST twepoch = int64(1589923200000) // 常量时间戳(毫秒) )
下面对这段代码的每一个常量进行解释:
- worerIDBits:这里就是对应上图中的10bit-工作机器id,我这里进行拆分了。这是其中5bit“worerIDBits`
- dataCenterIDBits:这里就是对应上图中的10bit-工作机器id,我这里进行拆分了。这是其中5bitdataCenterIDBits
- sequenceBits:对应上图中的12bit的序列号
- maxWorkerID:这里就是求最大,只不过我们采用了异或的方式,因为-1的二进制表示为1的补码,说通俗一点,这里其实就是2^5-1,还不懂的同学,可以自己验证一下
- maxDataCenterID:原理同上
- maxSequence:原理同上
- timeLeft:时间戳向左偏移量,这么你们可能不懂,看上面的图片,由右向左的偏移量是不是22,这么说你们懂了吗?
- dataLeft:原理同上,也是求偏移量的
- workLeft:原理同上;
- twepoch:41bit的时间戳,单位是毫秒,这里我选择的时间是2020-05-20 08:00:00 +0800 CST,这个ID一但生成就不要改了,要不会生成相同的ID。
2. 定义worker工作节点
因为这个是在分布式下使用的ID生成算法,所以我们要生成多个worker,所以要把节点参数抽象出来。
type Worker struct { mu sync.Mutex LastStamp int64 // 记录上一次ID的时间戳 WorkerID int64 // 该节点的ID DataCenterID int64 // 该节点的 数据中心ID Sequence int64 // 当前毫秒已经生成的ID序列号(从0 开始累加) 1毫秒内最多生成4096个ID }
代码解释:
- mu sync.Mutex:添加互斥锁,确保并发安全性
- LastStamp int64:记录上一次生成ID的时间戳
- WorkerID int64:该工作节点的ID 对上图中的5bit workerID 一个意思
- DataCenterID int64:原理同上
- Sequence int64:当前毫秒已经生成的id序列号(从0开始累加) 1毫秒内最多生成4096个ID
3. 创建一个worker对象
//分布式情况下,我们应通过外部配置文件或其他方式为每台机器分配独立的id func NewWorker(workerID,dataCenterID int64) *Worker { return &Worker{ WorkerID: workerID, LastStamp: 0, Sequence: 0, DataCenterID: dataCenterID, } }
这里没有什么好解释的~~~。
4. 生成id
先看代码:
func (w *Worker) getMilliSeconds() int64 { return time.Now().UnixNano() / 1e6 } func (w *Worker)NextID() (uint64,error) { w.mu.Lock() defer w.mu.Unlock() return w.nextID() } func (w *Worker)nextID() (uint64,error) { timeStamp := w.getMilliSeconds() if timeStamp < w.LastStamp{ return 0,errors.New("time is moving backwards,waiting until") } if w.LastStamp == timeStamp{ w.Sequence = (w.Sequence + 1) & maxSequence if w.Sequence == 0 { for timeStamp <= w.LastStamp { timeStamp = w.getMilliSeconds() } } }else { w.Sequence = 0 } w.LastStamp = timeStamp id := ((timeStamp - twepoch) << timeLeft) | (w.DataCenterID << dataLeft) | (w.WorkerID << workLeft) | w.Sequence return uint64(id),nil }
代码有点长,我先来依次解释一下:
- getMilliSeconds():封装的一个方法,用来获取当前的毫秒值
- func (w *Worker)NextID() (uint64,error)
这个代码的内容没有什么,具体生成ID算法封装在func (w *Worker)nextID() (uint64,error)这里了,这里不过是为了解藕作用;对了还有一个特别重要的地方,加锁、释放锁,这个步骤很重要。
- func (w *Worker)nextID() (uint64,error)
这里是真正的生成id代码了。分为几个步骤:
- 获取当前时间戳,进行判断,要确保当前时间戳值大于上一次生成ID的时间戳,否则会出现重复。
- 如果想等了,首先获取当前的当前毫秒已经生成的id序列号。这里你们可能没看懂,其实他等效于if w.sequence++ > maxSequence
, 如果当前毫秒已经生成的id序列号溢出了,则需要等待下一毫秒,如果不等待,就会导致很多重复。
-
我们在else里将w.sequence置零了,这里解释一下,如果当前时间与工作节点上一次生成ID的时间不一致 则需要重置工作节点生成ID的序号。
-
最后一步,比较重要,采用了或运算,这里的目的就是各部分的bit进行归位并通过按位或运算(就是这个‘|’)将其整合。<<这个就是向左偏移的作用进行归位,而|运算就是为了整合。可能大家还没懂,看下面这一张图片吧:
怎么样,是不是知道什么意思了。
5. 测试
写好了代码,我们就来测试一下吧,这里我并发10000个goroutine进行生成ID,存入到map,查看是否出现重复,来看代码:
var wg sync.WaitGroup func main() { w := idgen.NewWorker(5,5) ch := make(chan uint64,10000) count := 10000 wg.Add(count) defer close(ch) //并发 count个goroutine 进行 snowFlake ID 生成 for i:=0 ; i < count ; i++ { go func() { defer wg.Done() id,_ := w.NextID() ch <- id }() } wg.Wait() m := make(map[uint64]int) for i := 0; i < count; i++ { id := <- ch // 如果 map 中存在为 id 的 key, 说明生成的 snowflake ID 有重复 _, ok := m[id] if ok { fmt.Printf("repeat id %d\n",id) return } // 将 id 作为 key 存入 map m[id] = i } // 成功生成 snowflake ID fmt.Println("All", len(m), "snowflake ID Get successed!") }
验证结果:
All 10000 snowflake ID Get successed!
总结
好啦,这一篇文章到这里结束啦,雪花算法并没有我们想象的那么难,还是很好实现的,你学会了吗?没学会不要紧,下载源代码,再看一看,对你不是问题的~~~。
GitHub:https://github.com/asong2020/go-algorithm 欢迎star 感谢各位~~~
朋友们,还记得我开头说的那些吗?有兴趣的欢迎加入进来呦,我们一起进步~~~。
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