雪花算法是什么

雪花算法（Snowflake）是一种生成分布式全局唯一ID的算法，生成的ID称为Snowflake IDs或snowflakes。这种算法由Twitter创建，并用于推文的ID。Discord和Instagram等其他公司采用了修改后的版本。

雪花算法的原理

雪花算法生成的64位ID可以分为以下几部分： 0位：1位，未使用，固定为0。时间戳：41位，用来记录时间戳，精确到毫秒。41位可以表示 $2^{41} - 1$ 个数值，理论上可以使用69年。数据中心ID：5位，可以部署在 $2^5 = 32$ 个节点。机器ID：5位，每个数据中心可以有 $2^5 = 32$ 台机器。序列号：12位，每个节点每毫秒可以生成 $2^{12} = 4096$ 个ID。

雪花算法的优缺点

优点

唯一性：由于加入了数据中心和机器的标识，即使是在不同的数据中心和不同的机器上，生成的ID也是全局唯一的。应用层实现：完全由应用层生成，不需要进行数据库的IO操作，生成效率高。 id增长趋势：基于时间戳部分的设计，生成的ID是趋势递增的，对数据库的插入性能有利。

缺点

位数限制：如果时间超过69年可能会出现重复系统本地时间：如果系统本地时间出现问题可能会出现重复ID

雪花算法的实现

public class SnowFlake {
    /**
     * 起始的时间戳:2024-04-12 03:04:05，使用时此值不可修改
     */
    private final static long START_STAMP = 1712862245L;

    /**
     * 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 DATACENTER_BIT = 5;//数据中心占用的位数

    /**
     * 每一部分的最大值
     */
    private final static long MAX_DATACENTER_NUM = -1L ^ (-1L << DATACENTER_BIT);
    private final static long MAX_MACHINE_NUM    = -1L ^ (-1L << MACHINE_BIT);
    private final static long MAX_SEQUENCE       = -1L ^ (-1L << SEQUENCE_BIT);
    
    /**
     * 每一部分向左的位移
     */
    private final static long MACHINE_LEFT    = SEQUENCE_BIT;
    private final static long DATACENTER_LEFT = SEQUENCE_BIT + MACHINE_BIT;
    private final static long TIMESTMP_LEFT   = DATACENTER_LEFT + DATACENTER_BIT;

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

    public SnowFlake(long datacenterId, long machineId) {
        if (datacenterId > MAX_DATACENTER_NUM || datacenterId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("datacenterId can't be greater than MAX_DATACENTER_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 long nextId() {
        long currStmp = getNewstmp();
        if (currStmp < lastStmp) {
            throw new RuntimeException("Clock moved backwards.  Refusing to generate id");
        }

        if (currStmp == lastStmp) {
            //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) {
                currStmp = getNextMill();
            }
        } else {
            //不同毫秒内，序列号置为0
            sequence = 0L;
        }

        lastStmp = currStmp;

        return (currStmp - START_STAMP) << TIMESTMP_LEFT //时间戳部分
                | datacenterId << DATACENTER_LEFT       //数据中心部分
                | machineId << MACHINE_LEFT             //机器标识部分
                | sequence;                             //序列号部分
    }

    private long getNextMill() {
        long mill = getNewstmp();
        while (mill <= lastStmp) {
            mill = getNewstmp();
        }
        return mill;
    }

    private long getNewstmp() {
        return System.currentTimeMillis();
    }
    
    public static Long getMaxDataCeneterNum() {
     return MAX_DATACENTER_NUM;
    }
    
    public static Long getMaxMachineNum() {
     return MAX_MACHINE_NUM;
    }
}a

类似的分布式ID生成算法

UUID算法

UUID是一种广泛使用的生成唯一ID的方法，它可以保证在全球范围内的唯一性。UUID是由128位组成，通常表示为32个十六进制数字，分成5组通过连字符分隔（例如：123e4567-e89b-12d3-a456-426655440000）。

优点：易于生成，不需要中心服务器，避免了网络延迟和单点故障问题。缺点：UUID的随机性使其无法排序，且由于其较长的长度（128位），在数据库中作为主键时效率较低。

数据库自增ID算法

许多关系型数据库支持自增ID字段，这可以在单个数据库服务器上生成唯一的标识符。

优点：实现简单，自动增长，易于维护。缺点：在分布式环境中扩展性差，依赖单个数据库的性能和可用性。

参考文献

维基百科

分布式ID的生成算法-雪花算法