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Twitter的分布式自增ID算法snowflake

PHP admin 1年前 (2018-06-08) 6次浏览 未收录 0个评论

Twitter-Snowflake算法产生的背景相当简单,为了满足Twitter每秒上万条消息的请求,每条消息都必须分配一条唯一的id,这些id还需要一些大致的顺序(方便客户端排序),并且在分布式系统中不同机器产生的id必须不同。

Snowflake算法核心

把时间戳,工作机器id,序列号组合在一起。

Twitter的分布式自增ID算法snowflake

除了最高位bit标记为不可用以外,其余三组bit占位均可浮动,看具体的业务需求而定。默认情况下41bit的时间戳可以支持该算法使用到2082年,10bit的工作机器id可以支持1023台机器,序列号支持1毫秒产生4095个自增序列id。下文会具体分析。

Snowflake – 时间戳

这里时间戳的细度是毫秒级,具体代码如下,建议使用64位linux系统机器,因为有vdso,gettimeofday()在用户态就可以完成操作,减少了进入内核态的损耗。

uint64_t generateStamp()
{
    timeval tv;
    gettimeofday(&tv, 0);
    return (uint64_t)tv.tv_sec * 1000 + (uint64_t)tv.tv_usec / 1000;
}

默认情况下有41个bit可以供使用,那么一共有T(1llu << 41)毫秒供你使用分配,年份 = T / (3600 * 24 * 365 * 1000) = 69.7年。如果你只给时间戳分配39个bit使用,那么根据同样的算法最后年份 = 17.4年。

Snowflake – 工作机器id

严格意义上来说这个bit段的使用可以是进程级,机器级的话你可以使用MAC地址来唯一标示工作机器,工作进程级可以使用IP+Path来区分工作进程。如果工作机器比较少,可以使用配置文件来设置这个id是一个不错的选择,如果机器过多配置文件的维护是一个灾难性的事情。

这里的解决方案是需要一个工作id分配的进程,可以使用自己编写一个简单进程来记录分配id,或者利用Mysql auto_increment机制也可以达到效果。

Twitter的分布式自增ID算法snowflake

工作进程与工作id分配器只是在工作进程启动的时候交互一次,然后工作进程可以自行将分配的id数据落文件,下一次启动直接读取文件里的id使用。

PS:这个工作机器id的bit段也可以进一步拆分,比如用前5个bit标记进程id,后5个bit标记线程id之类:D

Snowflake – 序列号

序列号就是一系列的自增id(多线程建议使用atomic),为了处理在同一毫秒内需要给多条消息分配id,若同一毫秒把序列号用完了,则“等待至下一毫秒”。

uint64_t waitNextMs(uint64_t lastStamp)
{
    uint64_t cur = 0;
    do {
        cur = generateStamp();
    } while (cur <= laststamp);="" return="" cur;="" }

总体来说,是一个很高效很方便的GUID产生算法,一个int64_t字段就可以胜任,不像现在主流128bit的GUID算法,即使无法保证严格的id序列性,但是对于特定的业务,比如用做游戏服务器端的GUID产生会很方便。另外,在多线程的环境下,序列号使用atomic可以在代码实现上有效减少锁的密度。

在分布式系统中,需要生成全局UID的场合还是比较多的,twitter的snowflake解决了这种需求,实现也还是很简单的,除去配置信息,核心代码就是毫秒级时间41位+机器ID 10位+毫秒内序列12位。

核心代码为其IdWorker这个类实现,其原理结构如下,我分别用一个0表示一位,用—分割开部分的作用:

0---0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0 --- 00000 ---00000 ---000000000000

在上面的字符串中,第一位为未使用(实际上也可作为long的符号位),接下来的41位为毫秒级时间,然后5位datacenter标识位,5位机器ID(并不算标识符,实际是为线程标识),然后12位该毫秒内的当前毫秒内的计数,加起来刚好64位,为一个Long型。

这样的好处是,整体上按照时间自增排序,并且整个分布式系统内不会产生ID碰撞(由datacenter和机器ID作区分),并且效率较高,经测试,snowflake每秒能够产生26万ID左右,完全满足需要。

且看其核心代码:

/** Copyright 2010-2012 Twitter, Inc.*/
package com.twitter.service.snowflake

import com.twitter.ostrich.stats.Stats
import com.twitter.service.snowflake.gen._
import java.util.Random
import com.twitter.logging.Logger

/**
 * An object that generates IDs.
 * This is broken into a separate class in case
 * we ever want to support multiple worker threads
 * per process
 */
class IdWorker(val workerId: Long, val datacenterId: Long, private val reporter: Reporter, var sequence: Long = 0L)
extends Snowflake.Iface {
  private[this] def genCounter(agent: String) = {
    Stats.incr("ids_generated")
    Stats.incr("ids_generated_%s".format(agent))
  }
  private[this] val exceptionCounter = Stats.getCounter("exceptions")
  private[this] val log = Logger.get
  private[this] val rand = new Random

  val twepoch = 1288834974657L

 //机器标识位数

  private[this] val workerIdBits = 5L

//数据中心标识位数
  private[this] val datacenterIdBits = 5L

//机器ID最大值
  private[this] val maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits)

//数据中心ID最大值
  private[this] val maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits)

//毫秒内自增位
  private[this] val sequenceBits = 12L

//机器ID偏左移12位

  private[this] val workerIdShift = sequenceBits

//数据中心ID左移17位
  private[this] val datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits

//时间毫秒左移22位
  private[this] val timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits
  private[this] val sequenceMask = -1L ^ (-1L < maxWorkerId || workerId  maxDatacenterId || datacenterId < 0) {
    exceptionCounter.incr(1)
    throw new IllegalArgumentException("datacenter Id can't be greater than %d or less than 0".format(maxDatacenterId))
  }

  log.info("worker starting. timestamp left shift %d, datacenter id bits %d, worker id bits %d, sequence bits %d, workerid %d",
    timestampLeftShift, datacenterIdBits, workerIdBits, sequenceBits, workerId)

  def get_id(useragent: String): Long = {
    if (!validUseragent(useragent)) {
      exceptionCounter.incr(1)
      throw new InvalidUserAgentError
    }

    val id = nextId()
    genCounter(useragent)

    reporter.report(new AuditLogEntry(id, useragent, rand.nextLong))
    id
  }

  def get_worker_id(): Long = workerId
  def get_datacenter_id(): Long = datacenterId
  def get_timestamp() = System.currentTimeMillis

  protected[snowflake] def nextId(): Long = synchronized {
    var timestamp = timeGen()

 //时间错误

    if (timestamp < lastTimestamp) {
      exceptionCounter.incr(1)
      log.error("clock is moving backwards.  Rejecting requests until %d.", lastTimestamp);
      throw new InvalidSystemClock("Clock moved backwards.  Refusing to generate id for %d milliseconds".format(
        lastTimestamp - timestamp))
    }

    if (lastTimestamp == timestamp) {
//当前毫秒内,则+1
      sequence = (sequence + 1) & sequenceMask
      if (sequence == 0) {
//当前毫秒内计数满了,则等待下一秒
        timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp)
      }
    } else {
      sequence = 0
    }

    lastTimestamp = timestamp
//ID偏移组合生成最终的ID,并返回ID   

((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) |
      (datacenterId << datacenterIdShift) |
      (workerId << workerIdShift) |
      sequence
  }

//等待下一个毫秒的到来 

protected def tilNextMillis(lastTimestamp: Long): Long = {
    var timestamp = timeGen()
    while (timestamp  true
    case _ => false
  }
}

上述为twitter的实现,下面且看一个Java实现,貌似为淘宝的朋友写的。

public class IdWorker {
 private final long workerId;
 private final static long twepoch = 1361753741828L;
 private long sequence = 0L;
 private final static long workerIdBits = 4L;
 public final static long maxWorkerId = -1L ^ -1L << workerIdBits;
 private final static long sequenceBits = 10L;
 private final static long workerIdShift = sequenceBits;
 private final static long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits;
 public final static long sequenceMask = -1L ^ -1L < this.maxWorkerId || workerId < 0) {
   throw new IllegalArgumentException(String.format(
     "worker Id can't be greater than %d or less than 0",
     this.maxWorkerId));
  }
  this.workerId = workerId;
 }
 public synchronized long nextId() {
  long timestamp = this.timeGen();
  if (this.lastTimestamp == timestamp) {
   this.sequence = (this.sequence + 1) & this.sequenceMask;
   if (this.sequence == 0) {
    System.out.println("###########" + sequenceMask);
    timestamp = this.tilNextMillis(this.lastTimestamp);
   }
  } else {
   this.sequence = 0;
  }
  if (timestamp < this.lastTimestamp) {
   try {
    throw new Exception(
      String.format(
        "Clock moved backwards.  Refusing to generate id for %d milliseconds",
        this.lastTimestamp - timestamp));
   } catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
   }
  }
  this.lastTimestamp = timestamp;
  long nextId = ((timestamp - twepoch << timestampLeftShift))
    | (this.workerId << this.workerIdShift) | (this.sequence);
//  System.out.println("timestamp:" + timestamp + ",timestampLeftShift:"
//    + timestampLeftShift + ",nextId:" + nextId + ",workerId:"
//    + workerId + ",sequence:" + sequence);
  return nextId;
 }
 private long tilNextMillis(final long lastTimestamp) {
  long timestamp = this.timeGen();
  while (timestamp <= lasttimestamp)="" {="" timestamp="this.timeGen();" }="" return="" timestamp;="" private="" long="" timegen()="" system.currenttimemillis();="" public="" static="" void="" main(string[]="" args){="" idworker="" worker2="new" idworker(2);="" system.out.println(worker2.nextid());="" }

再来看一个php的实现

 self::$maxWorkerId || $workId__construct()->self::$workerId:'.self::$workerId;
echo '
'; } function timeGen(){ //获得当前时间戳 $time = explode(' ', microtime()); $time2= substr($time[0], 2, 3); $timestramp = $time[1].$time2; echo 'logdebug->timeGen()->$timestramp:'.$time[1].$time2; echo '
'; return $time[1].$time2; } function tilNextMillis($lastTimestamp) { $timestamp = $this->timeGen(); while ($timestamp timeGen(); } echo 'logdebug->tilNextMillis()->$timestamp:'.$timestamp; echo '
'; return $timestamp; } function nextId() { $timestamp=$this->timeGen(); echo 'logdebug->nextId()->self::$lastTimestamp1:'.self::$lastTimestamp; echo '
'; if(self::$lastTimestamp == $timestamp) { self::$sequence = (self::$sequence + 1) & self::$sequenceMask; if (self::$sequence == 0) { echo "###########".self::$sequenceMask; $timestamp = $this->tilNextMillis(self::$lastTimestamp); echo 'logdebug->nextId()->self::$lastTimestamp2:'.self::$lastTimestamp; echo '
'; } } else { self::$sequence = 0; echo 'logdebug->nextId()->self::$sequence:'.self::$sequence; echo '
'; } if ($timestamp nextId()->self::$lastTimestamp3:'.self::$lastTimestamp; echo '
'; echo 'logdebug->nextId()->(($timestamp - self::$twepoch << self::$timestampLeftShift )):'.((sprintf('%.0f', $timestamp) - sprintf('%.0f', self::$twepoch) )); echo '
'; $nextId = ((sprintf('%.0f', $timestamp) - sprintf('%.0f', self::$twepoch) )) | ( self::$workerId <nextId(); $Idwork = new Idwork(2); $a= $Idwork->nextId(); ?>


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