Go語(yǔ)言如何實(shí)現(xiàn)Snowflake雪花算法

這篇文章主要講解了“Go語(yǔ)言如何實(shí)現(xiàn)Snowflake雪花算法”，文中的講解內(nèi)容簡(jiǎn)單清晰，易于學(xué)習(xí)與理解，下面請(qǐng)大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來(lái)研究和學(xué)習(xí)“Go語(yǔ)言如何實(shí)現(xiàn)Snowflake雪花算法”吧！

雪花算法

雪花算法的原始版本是scala版，用于生成分布式ID（純數(shù)字，時(shí)間順序）,訂單編號(hào)等。

自增ID：對(duì)于數(shù)據(jù)敏感場(chǎng)景不宜使用，且不適合于分布式場(chǎng)景。 GUID：采用無(wú)意義字符串，數(shù)據(jù)量增大時(shí)造成訪問(wèn)過(guò)慢，且不宜排序。

UUID

首先是 UUID ，它是由128位二進(jìn)制組成，一般轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制，然后用String表示。為了保證 UUID 的唯一性，規(guī)范定義了包括網(wǎng)卡MAC地址、時(shí)間戳、名字空（Namespace）、隨機(jī)或偽隨機(jī)數(shù)、時(shí)序等元素，以及從這些元素生成 UUID 的算法。

UUID 有五個(gè)版本：

• 版本1：基于時(shí)間戳和mac地址

• 版本2：基于時(shí)間戳，mac地址和POSIX UID/GID

• 版本3：基于MD5哈希算法

• 版本4：基于隨機(jī)數(shù)

• 版本5：基于SHA-1哈希算法

UUID 的優(yōu)缺點(diǎn):

優(yōu)點(diǎn)是代碼簡(jiǎn)單，性能比較好。缺點(diǎn)是沒(méi)有排序，無(wú)法保證按序遞增；其次是太長(zhǎng)了，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)占用空間比較大，不利于檢索和排序。

數(shù)據(jù)庫(kù)自增主鍵

如果是使用 mysql 數(shù)據(jù)庫(kù)，那么通過(guò)設(shè)置主鍵為 auto_increment 是最容易實(shí)現(xiàn)單調(diào)遞增的唯一ID 的方法，并且它也方便排序和索引。

但是缺點(diǎn)也很明顯，由于過(guò)度依賴數(shù)據(jù)庫(kù)，那么受限于數(shù)據(jù)庫(kù)的性能會(huì)導(dǎo)致并發(fā)性并不高；再來(lái)就是如果數(shù)據(jù)量太大那么會(huì)給分庫(kù)分表會(huì)帶來(lái)問(wèn)題；并且如果數(shù)據(jù)庫(kù)宕機(jī)了，那么這個(gè)功能是無(wú)法使用的。

Redis

Redis 目前已在很多項(xiàng)目中是一個(gè)不可或缺的存在，在 Redis 中有兩個(gè)命令 Incr、IncrBy ,因?yàn)镽edis是單線程的所以通過(guò)這兩個(gè)指令可以能保證原子性從而達(dá)到生成唯一值的目標(biāo)，并且性能也很好。

但是在 Redis 中，即使有 AOF 和 RDB ，但是依然會(huì)存在數(shù)據(jù)丟失，有可能會(huì)造成ID重復(fù)；再來(lái)就是需要依賴 Redis ，如果它不穩(wěn)定，那么會(huì)影響 ID 生成。

Snowflake

通過(guò)上面的一個(gè)個(gè)分析，終于引出了我們的分布式雪花算法 Snowflake ，它最早是twitter內(nèi)部使用的分布式環(huán)境下的唯一ID生成算法。在2014年開(kāi)源。開(kāi)源的版本由scala編寫(xiě)，大家可以再找個(gè)地址找到這版本。

https://github.com/twitter-archive/snowflake/tags

它有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

• 能滿足高并發(fā)分布式系統(tǒng)環(huán)境下ID不重復(fù)；

• 基于時(shí)間戳，可以保證基本有序遞增；

• 不依賴于第三方的庫(kù)或者中間件；

實(shí)現(xiàn)原理

Snowflake 結(jié)構(gòu)是一個(gè) 64bit 的 int64 類型的數(shù)據(jù)。如下：

上面只是一個(gè)將 64bit 劃分的通用標(biāo)準(zhǔn)，一般的情況可以根據(jù)自己的業(yè)務(wù)情況進(jìn)行調(diào)整。例如目前業(yè)務(wù)只有機(jī)器10臺(tái)左右預(yù)計(jì)未來(lái)會(huì)增加到三位數(shù)，并且需要進(jìn)行多機(jī)房部署，QPS 幾年之內(nèi)會(huì)發(fā)展到百萬(wàn)。

那么對(duì)于百萬(wàn) QPS 平分到 10 臺(tái)機(jī)器上就是每臺(tái)機(jī)器承擔(dān)十萬(wàn)級(jí)的請(qǐng)求即可，12 bit 的序列號(hào)完全夠用。對(duì)于未來(lái)會(huì)增加到三位數(shù)機(jī)器，并且需要多機(jī)房部署的需求我們僅需要將 10 bits 的 work id 進(jìn)行拆分，分割 3 bits 來(lái)代表機(jī)房數(shù)共代表可以部署8個(gè)機(jī)房，其他 7bits 代表機(jī)器數(shù)代表每個(gè)機(jī)房可以部署128臺(tái)機(jī)器。那么數(shù)據(jù)格式就會(huì)如下所示：

代碼實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)步驟

其實(shí)看懂了上面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之后，需要自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)雪花算法是非常簡(jiǎn)單，步驟大致如下：

• 獲取當(dāng)前的毫秒時(shí)間戳；

• 用當(dāng)前的毫秒時(shí)間戳和上次保存的時(shí)間戳進(jìn)行比較；

• 如果和上次保存的時(shí)間戳相等，那么對(duì)序列號(hào) sequence 加一；

• 如果不相等，那么直接設(shè)置 sequence 為 0 即可；

• 然后通過(guò)或運(yùn)算拼接雪花算法需要返回的 int64 返回值。

代碼實(shí)現(xiàn)

首先我們需要定義一個(gè) Snowflake 結(jié)構(gòu)體：

type Snowflake struct {
 sync.Mutex     // 鎖
 timestamp    int64 // 時(shí)間戳 ，毫秒
 workerid     int64  // 工作節(jié)點(diǎn)
 datacenterid int64 // 數(shù)據(jù)中心機(jī)房id
 sequence     int64 // 序列號(hào)
}

然后我們需要定義一些常量，方便我們?cè)谑褂醚┗ㄋ惴ǖ臅r(shí)候進(jìn)行位運(yùn)算取值：

const (
  epoch             = int64(1577808000000)                           // 設(shè)置起始時(shí)間(時(shí)間戳/毫秒)：2020-01-01 00:00:00，有效期69年
 timestampBits     = uint(41)                                       // 時(shí)間戳占用位數(shù)
 datacenteridBits  = uint(2)                                        // 數(shù)據(jù)中心id所占位數(shù)
 workeridBits      = uint(7)                                        // 機(jī)器id所占位數(shù)
 sequenceBits      = uint(12)                                       // 序列所占的位數(shù)
 timestampMax      = int64(-1 ^ (-1 << timestampBits))              // 時(shí)間戳最大值
 datacenteridMax   = int64(-1 ^ (-1 << datacenteridBits))           // 支持的最大數(shù)據(jù)中心id數(shù)量
 workeridMax       = int64(-1 ^ (-1 << workeridBits))               // 支持的最大機(jī)器id數(shù)量
 sequenceMask      = int64(-1 ^ (-1 << sequenceBits))               // 支持的最大序列id數(shù)量
 workeridShift     = sequenceBits                                   // 機(jī)器id左移位數(shù)
 datacenteridShift = sequenceBits + workeridBits                    // 數(shù)據(jù)中心id左移位數(shù)
 timestampShift    = sequenceBits + workeridBits + datacenteridBits // 時(shí)間戳左移位數(shù)
)

需要注意的是由于 -1 在二進(jìn)制上表示是：

11111111 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111

所以想要求得 41bits 的 timestamp 最大值可以將 -1 向左位移 41 位，得到：

11111111 11111111 11111110 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000

那么再和 -1 進(jìn)行 ^異或運(yùn)算：

00000000 00000000 00000001 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111

這就可以表示 41bits 的 timestamp 最大值。datacenteridMax、workeridMax也同理。

接著我們就可以設(shè)置一個(gè) NextVal 函數(shù)來(lái)獲取 Snowflake 返回的 ID 了：

func (s *Snowflake) NextVal() int64 {
 s.Lock()
 now := time.Now().UnixNano() / 1000000 // 轉(zhuǎn)毫秒
 if s.timestamp == now {
  // 當(dāng)同一時(shí)間戳（精度：毫秒）下多次生成id會(huì)增加序列號(hào)
  s.sequence = (s.sequence + 1) & sequenceMask
  if s.sequence == 0 {
   // 如果當(dāng)前序列超出12bit長(zhǎng)度，則需要等待下一毫秒
   // 下一毫秒將使用sequence:0
   for now <= s.timestamp {
    now = time.Now().UnixNano() / 1000000
   }
  }
 } else {
  // 不同時(shí)間戳（精度：毫秒）下直接使用序列號(hào)：0
  s.sequence = 0
 }
 t := now - epoch
 if t > timestampMax {
  s.Unlock()
  glog.Errorf("epoch must be between 0 and %d", timestampMax-1)
  return 0
 }
 s.timestamp = now
 r := int64((t)<<timestampShift | (s.datacenterid << datacenteridShift) | (s.workerid << workeridShift) | (s.sequence))
 s.Unlock()
 return r
}

上面的代碼也是非常的簡(jiǎn)單，看看注釋?xiě)?yīng)該也能懂，我這里說(shuō)說(shuō)最后返回的 r 系列的位運(yùn)算表示什么意思。

首先 t 表示的是現(xiàn)在距離 epoch 的時(shí)間差，我們 epoch 在初始化的時(shí)候設(shè)置的是2020-01-01 00:00:00,那么對(duì)于 41bit 的 timestamp 來(lái)說(shuō)會(huì)在 69 年之后才溢出。對(duì) t 進(jìn)行向左位移之后，低于 timestampShift 位置上全是0 ，由 datacenterid、workerid、sequence 進(jìn)行取或填充。

在當(dāng)前的例子中，如果當(dāng)前時(shí)間是2021/01/01 00:00:00,那么位運(yùn)算結(jié)果如下圖所示：

感謝各位的閱讀，以上就是“Go語(yǔ)言如何實(shí)現(xiàn)Snowflake雪花算法”的內(nèi)容了，經(jīng)過(guò)本文的學(xué)習(xí)后，相信大家對(duì)Go語(yǔ)言如何實(shí)現(xiàn)Snowflake雪花算法這一問(wèn)題有了更深刻的體會(huì)，具體使用情況還需要大家實(shí)踐驗(yàn)證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的文章，歡迎關(guān)注！