ULID-分布式系统中生成全局唯一标识符更好的选择

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什么是ULID

ULID（Universally Unique Lexicographically Sortable Identifier）是一种生成全局唯一且可按字典序排序的标识符的算法。它是在UUID（Universally Unique Identifier）的基础上进行改进的，旨在解决UUID不易排序的问题。

ULID的结构与特点

ULID由128位组成，可以分为两个部分：时间戳部分和随机数部分。

时间戳部分由48位组成，以微秒为单位表示生成ULID的时间。ULID使用的是Unix时间戳，即从1970年1月1日开始计算的毫秒数。

随机数部分由80位组成，用于保证生成的ULID具有足够的随机性。

ULID的格式如下：


01AN4Z07BY      79KA1307SR9X4MV3
|----------|    |----------------|
 Timestamp           Randomness
   10 chars           16 chars

ULID的生成算法

ULID的生成算法相对较为简单，可以分为以下几个步骤：

  1. 获取当前时间戳（单位为微秒），并将其转化为48位的二进制数。
  2. 将时间戳的二进制数进行左移，以腾出足够的空间存放随机数。
  3. 生成随机数部分，具体的生成方法可以使用伪随机数生成器（PRNG）或者真随机数生成器（TRNG）。
  4. 将时间戳部分和随机数部分进行合并。
  5. 将合并后的128位二进制数转化为32位的十六进制字符串。
  6. 根据需要，可以将ULID进行进一步的编码，例如Base32编码。

下面是用Java实现ULID生成算法的示例代码：

在上面的示例代码中，我们使用了java.security.SecureRandom类来生成随机数。同时，我们使用了Java 8中的java.time.Instant类来获取当前的时间戳。ULID的生成逻辑非常简单，只需要将时间戳部分左移，然后与随机数部分进行合并即可。

以下是使用示例代码生成ULID的示例：

ULID的应用场景

ULID主要应用于需要生成全局唯一且可按字典序排序的标识符的场景。由于ULID具有以下特点，因此在一些特定的应用场景中非常适用：

  • 全局唯一性：ULID的生成算法保证了生成的标识符在全局范围内是唯一的。
  • 字典序排序：由于ULID使用的是时间戳作为排序依据，因此生成的ULID可以按照生成的顺序进行排序。
  • 可读性：ULID生成的标识符是由字母和数字组成的，可以直接用于显示和传输。

ULID可以应用于多个领域，例如数据库索引、分布式系统、日志记录等。

ULID的优点

ULID（Universally Unique Lexicographically Sortable Identifier）是一种能够生成全局唯一的识别码的方法，具有以下优点：

  1. 全局唯一性：ULID生成的识别码具有全局唯一性，不同机器、不同时间、不同线程、不同进程生成的ULID都不会重复。

  2. 高容量：ULID由128位二进制数表示，相对于传统的UUID（只有128位）能够容纳更多的信息。

  3. 可排序：ULID具有词典序（字典序）排序特性，当两个ULID做比较时，按照字符顺序比较即可得到正确的排序结果。

  4. 高性能：ULID的生成速度比传统的UUID更快，使用标准的开源实现一次生成的时间不到毫秒级别。

  5. 高可读性：ULID采用了很多不易混淆的字符，具有一定的可读性，便于在日志、调试信息中使用。

ULID是一种高效、全局唯一、可排序、容量大、可读性强的识别码生成算法，适合于分布式环境下的唯一标识生成。

UUID (Universally Unique Identifier) 和 ULID (Universally Unique Lexicographically Sortable Identifier) 都是用来生成唯一标识符的算法，但它们在实现方式上有所不同。

UUID 是一种由标准化组织制定的标识符生成算法，它通过 MAC 地址、时间戳、命名空间和随机数等数据生成，保证了生成的标识符的唯一性。它的长度为 128 位，通常表示为 32 个十六进制数字，其中包含 4 个破折号，如：“550e8400-e29b-41d4-a716-446655440000”。

ULID 是基于时间和随机数生成的标识符算法，它的结构是包含了时间戳的 48 位前缀和 80 位随机数后缀，共计 128 位。ULID 也可以表示为 32 个字符的字符串，而且这个字符串是根据时间戳顺序排列的，因此可以用作排序和索引。

总的来说，UUID 和 ULID 都是用来生成唯一标识符的算法，但它们的实现方式、长度、格式等方面存在差异。选择使用哪种算法取决于场景需求，如果需要标识符完全随机且数量大到足以保证唯一性，使用 UUID 就可以了；如果需要标识符的排序和索引，并且时间戳是必须的，那么可以使用 ULID。

ULID (Universally Unique Lexicographically Sortable Identifier) 是一个可排序且唯一的标识符，它由时间戳和随机数生成。相较于 UUID，ULID 可以更好地支持分布式系统的排序和查询。以下是 Java 实现 ULID 的示例代码：


import java.security.SecureRandom;
import java.time.Instant;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
public class ULIDGenerator {
    private static final long EPOCH = Instant.parse("2021-01-01T00:00:00Z").toEpochMilli();
    private static final char[] ENCODING = "0123456789ABCDEFGHJKMNPQRSTVWXYZ".toCharArray();
    private static final int ENCODING_LENGTH = ENCODING.length;
    private static final int TIMESTAMP_LENGTH = 10;
    private static final int RANDOMNESS_LENGTH = 16;
    private static final AtomicLong LAST_TIMESTAMP_MS = new AtomicLong(Long.MIN_VALUE);
    private static final SecureRandom RANDOM = new SecureRandom();
    public static String generateULID() {
        long timestampMs = getCurrentTimestampMs();
        StringBuilder sb = new StringBuilder(TIMESTAMP_LENGTH + RANDOMNESS_LENGTH);
        encodeLong(timestampMs - EPOCH, sb, TIMESTAMP_LENGTH); // 时间戳
        encodeLong(generateRandomness(), sb, RANDOMNESS_LENGTH); // 随机数
        return sb.toString();
    }
    private static long getCurrentTimestampMs() {
        long now = Instant.now().toEpochMilli();
        while (true) {
            long lastTimestampMs = LAST_TIMESTAMP_MS.get();
            if (now > lastTimestampMs) {
                if (LAST_TIMESTAMP_MS.compareAndSet(lastTimestampMs, now)) {
                    return now;
                }
            } else {
                return LAST_TIMESTAMP_MS.incrementAndGet();
            }
        }
    }
    private static long generateRandomness() {
        byte[] randomness = new byte[8];
        RANDOM.nextBytes(randomness);
        return bytesToLong(randomness);
    }
    private static void encodeLong(long value, StringBuilder sb, int length) {
        sb.setLength(length);
        for (int i = length - 1; i >= 0; i--) {
            sb.setCharAt(i, ENCODING[(int) (value % ENCODING_LENGTH)]);
            value /= ENCODING_LENGTH;
        }
    }
    private static long bytesToLong(byte[] bytes) {
        long value = 0;
        for (byte b : bytes) {
            value = (value << 8) | (b & 0xff);
        }
        return value;
    }
}

上述代码使用了 SecureRandom 生成 128 位的随机数，然后使用自定义的一种 32 个字符的编码（0123456789ABCDEFGHJKMNPQRSTVWXYZ）对随机数和时间戳进行编码。时间戳表示自“2021-01-01T00:00:00Z”以来经过的毫秒数，长度为 10 个字符。到达极限时，ULID 可以支持生成超过 3.4e+38 个 ID，每秒达到 280 万个 ID 的生成速度。

需要注意的是，由于 ULID 是有序的，所以在高并发的场景下，使用静态的 LAST_TIMESTAMP_MS 可能会成为瓶颈，可以考虑使用类似 AtomicLong 的原子变量来保证并发安全。

总结

ULID是一种生成全局唯一且可按字典序排序的标识符的算法，它解决了UUID不易排序的问题。ULID的生成算法非常简单，主要由时间戳部分和随机数部分组成。ULID具有全局唯一性、字典序排序和可读性的特点，适用于多个领域的应用场景。

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