分布式唯一ID生成器
在应用程序中，经常需要全局唯一的ID作为数据库主键。如何生成全局唯一ID？
首先，需要确定全局唯一ID是整型还是字符串？如果是字符串，那么现有的UUID就完全满足需求，不需要额外的工作。缺点是字符串作为ID占用空间大，索引效率比整型低。
如果采用整型作为ID，那么首先排除掉32位int类型，因为范围太小，必须使用64位long型。
采用整型作为ID时，如何生成自增、全局唯一且不重复的ID？
方案一：利用数据库的自增ID，从1开始，基本可以做到连续递增。Oracle可以用 SEQUENCE ，MySQL可以用主键的 AUTO_INCREMENT ，虽然不能保证全局唯一，但每个表唯一，也基本满足需求。
数据库自增ID的缺点是数据在插入前，无法获得ID。数据在插入后，获取的ID虽然是唯一的，但一定要等到事务提交后，ID才算是有效的。有些双向引用的数据，不得不插入后再做一次更新，比较麻烦。
第二种方式是采用一个集中式ID生成器，它可以是Redis，也可以是ZooKeeper，也可以利用数据库的表记录最后分配的ID。
这种方式最大的缺点是复杂性太高，需要严重依赖第三方服务，而且代码配置繁琐。一般来说，越是复杂的方案，越不可靠，并且测试越痛苦。
第三种方式是类似Twitter的Snowflake算法，它给每台机器分配一个唯一标识，然后通过时间戳+标识+自增实现全局唯一ID。这种方式好处在于ID生成算法完全是一个无状态机，无网络调用，高效可靠。缺点是如果唯一标识有重复，会造成ID冲突。
Snowflake算法采用41bit毫秒时间戳，加上10bit机器ID，加上12bit序列号，理论上最多支持1024台机器每秒生成4096000个序列号，对于Twitter的规模来说够用了。
但是对于绝大部分普通应用程序来说，根本不需要每秒超过400万的ID，机器数量也达不到1024台，所以，我们可以改进一下，使用更短的ID生成方式：
53bitID由32bit秒级时间戳+16bit自增+5bit机器标识组成，累积32台机器，每秒可以生成6.5万个序列号，核心代码：
private static synchronized long nextId(long epochSecond) {
if (epochSecond < lastEpoch) {
// warning: clock is turn back:
logger.warn("clock is back: " + epochSecond + " from previous:" + lastEpoch);
epochSecond = lastEpoch;
}
if (lastEpoch != epochSecond) {
lastEpoch = epochSecond;
reset();
}
offset++;
long next = offset & MAX_NEXT;
if (next == 0) {
logger.warn("maximum id reached in 1 second in epoch: " + epochSecond);
return nextId(epochSecond + 1);
}
return generateId(epochSecond, next, SHARD_ID);
}
时间戳减去一个固定值，此方案最高可支持到2106年。
如果每秒6.5万个序列号不够怎么办？没关系，可以继续递增时间戳，向前“借”下一秒的6.5万个序列号。
同时还解决了时间回拨的问题。
机器标识采用简单的主机名方案，只要主机名符合 host-1 ， host-2 就可以自动提取机器标识，无需配置。
最后，为什么采用最多53位整型，而不是64位整型？这是因为考虑到大部分应用程序是Web应用，如果要和JavaScript打交道，由于JavaScript支持的最大整型就是53位，超过这个位数，JavaScript将丢失精度。因此，使用53位整数可以直接由JavaScript读取，而超过53位时，就必须转换成字符串才能保证JavaScript处理正确，这会给API接口带来额外的复杂度。这也是为什么新浪微博的API接口会同时返回 id 和 idstr 的原因。
参考源码：IdUtil.java
整理后的源码
import java.net.InetAddress;
import java.net.UnknownHostException;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.time.LocalDate;
import java.time.ZoneId;
import java.util.regex.Matcher;
import java.util.regex.Pattern;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
/**
* 53 bits unique id:
*
* |--------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|
* |00000000|00011111|11111111|11111111|11111111|11111111|11111111|11111111|
* |--------|---xxxxx|xxxxxxxx|xxxxxxxx|xxxxxxxx|xxx-----|--------|--------|
* |--------|--------|--------|--------|--------|---xxxxx|xxxxxxxx|xxx-----|
* |--------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|---xxxxx|
*
* Maximum ID = 11111_11111111_11111111_11111111_11111111_11111111_11111111
*
* Maximum TS = 11111_11111111_11111111_11111111_111
*
* Maximum NT = ----- -------- -------- -------- ---11111_11111111_111 = 65535
*
* Maximum SH = ----- -------- -------- -------- -------- -------- ---11111 = 31
*
* It can generate 64k unique id per IP and up to 2106-02-07T06:28:15Z.
*/
public final class IdUtil {
private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(IdUtil.class);
private static final Pattern PATTERN_LONG_ID = Pattern.compile("^([0-9]{15})([0-9a-f]{32})([0-9a-f]{3})$");
private static final Pattern PATTERN_HOSTNAME = Pattern.compile("^.*\\D+([0-9]+)$");
private static final long OFFSET = LocalDate.of(2000, 1, 1).atStartOfDay(ZoneId.of("Z")).toEpochSecond();
private static final long MAX_NEXT = 0b11111_11111111_111L;
private static final long SHARD_ID = getServerIdAsLong();
private static long offset = 0;
private static long lastEpoch = 0;
public static long nextId() {
return nextId(System.currentTimeMillis() / 1000);
}
private static synchronized long nextId(long epochSecond) {
if (epochSecond < lastEpoch) {
// warning: clock is turn back:
logger.warn("clock is back: " + epochSecond + " from previous:" + lastEpoch);
epochSecond = lastEpoch;
}
if (lastEpoch != epochSecond) {
lastEpoch = epochSecond;
reset();
}
offset++;
long next = offset & MAX_NEXT;
if (next == 0) {
logger.warn("maximum id reached in 1 second in epoch: " + epochSecond);
return nextId(epochSecond + 1);
}
return generateId(epochSecond, next, SHARD_ID);
}
private static void reset() {
offset = 0;
}
private static long generateId(long epochSecond, long next, long shardId) {
return ((epochSecond - OFFSET) << 21) | (next << 5) | shardId;
}
private static long getServerIdAsLong() {
try {
String hostname = InetAddress.getLocalHost().getHostName();
Matcher matcher = PATTERN_HOSTNAME.matcher(hostname);
if (matcher.matches()) {
long n = Long.parseLong(matcher.group(1));
if (n >= 0 && n < 8) {
logger.info("detect server id from host name {}: {}.", hostname, n);
return n;
}
}
} catch (UnknownHostException e) {
logger.warn("unable to get host name. set server id = 0.");
}
return 0;
}
public static long stringIdToLongId(String stringId) {
// a stringId id is composed as timestamp (15) + uuid (32) + serverId (000~fff).
Matcher matcher = PATTERN_LONG_ID.matcher(stringId);
if (matcher.matches()) {
long epoch = Long.parseLong(matcher.group(1)) / 1000;
String uuid = matcher.group(2);
byte[] sha1 = sha1AsBytes(uuid);
long next = ((sha1[0] << 24) | (sha1[1] << 16) | (sha1[2] << 8) | sha1[3]) & MAX_NEXT;
long serverId = Long.parseLong(matcher.group(3), 16);
return generateId(epoch, next, serverId);
}
throw new IllegalArgumentException("Invalid id: " + stringId);
}
private static byte[] sha1AsBytes (String uuid) {
MessageDigest messageDigest = null;
try {
messageDigest = MessageDigest.getInstance("SHA1");
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
e.printStackTrace();
}
messageDigest.update(uuid.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
return messageDigest.digest();
}
}
原文：分布式唯一ID生成器 - 廖雪峰的官方网站
作者：廖雪峰