基于Twitter的Snowflake算法实现分布式高效有序ID生产黑科技（无懈可击）

参考美团文档：https://tech.meituan.com/2017/04/21/mt-leaf.html

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。

性能测试数据：

Snowflake算法核心

把时间戳，工作机器id，序列号组合在一起。

41-bit的时间可以表示（1L<<41）/(1000L*3600*24*365)=69年的时间，10-bit机器可以分别表示1024台机器。如果我们对IDC划分有需求，还可以将10-bit分5-bit给IDC，分5-bit给工作机器。这样就可以表示32个IDC，每个IDC下可以有32台机器，可以根据自身需求定义。12个自增序列号可以表示2^12个ID，理论上snowflake方案的QPS约为409.6w/s，这种分配方式可以保证在任何一个IDC的任何一台机器在任意毫秒内生成的ID都是不同的。

这种方式的优缺点是：

优点：

• 毫秒数在高位，自增序列在低位，整个ID都是趋势递增的。
• 不依赖数据库等第三方系统，以服务的方式部署，稳定性更高，生成ID的性能也是非常高的。
• 可以根据自身业务特性分配bit位，非常灵活。

缺点：

• 强依赖机器时钟，如果机器上时钟回拨，会导致发号重复或者服务会处于不可用状态。

package cn.ms.sequence;


/**
 * 基于Twitter的Snowflake算法实现分布式高效有序ID生产黑科技(sequence)
 * 
 * <br>
 * SnowFlake的结构如下(每部分用-分开):<br>
 * <br>
 * 0 - 0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0 - 00000 - 00000 - 000000000000 <br>
 * <br>
 * 1位标识，由于long基本类型在Java中是带符号的，最高位是符号位，正数是0，负数是1，所以id一般是正数，最高位是0<br>
 * <br>
 * 41位时间截(毫秒级)，注意，41位时间截不是存储当前时间的时间截，而是存储时间截的差值（当前时间截 - 开始时间截)
 * 得到的值），这里的的开始时间截，一般是我们的id生成器开始使用的时间，由我们程序来指定的（如下下面程序IdWorker类的startTime属性）。41位的时间截，可以使用69年，年T = (1L << 41) / (1000L * 60 * 60 * 24 * 365) = 69<br>
 * <br>
 * 10位的数据机器位，可以部署在1024个节点，包括5位datacenterId和5位workerId<br>
 * <br>
 * 12位序列，毫秒内的计数，12位的计数顺序号支持每个节点每毫秒(同一机器，同一时间截)产生4096个ID序号<br>
 * <br>
 * <br>
 * 加起来刚好64位，为一个Long型。<br>
 * SnowFlake的优点是，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(由数据中心ID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。
 * 
 * @author lry
 */
public class Sequence {

    /** 起始时间戳，用于用当前时间戳减去这个时间戳，算出偏移量 **/
    private final long startTime = 1519740777809L;

    /** workerId占用的位数5（表示只允许workId的范围为：0-1023）**/
    private final long workerIdBits = 5L;
    /** dataCenterId占用的位数：5 **/
    private final long dataCenterIdBits = 5L;
    /** 序列号占用的位数：12（表示只允许workId的范围为：0-4095）**/
    private final long sequenceBits = 12L;

    /** workerId可以使用的最大数值：31 **/
    private final long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits);
    /** dataCenterId可以使用的最大数值：31 **/
    private final long maxDataCenterId = -1L ^ (-1L << dataCenterIdBits);

    private final long workerIdShift = sequenceBits;
    private final long dataCenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;
    private final long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + dataCenterIdBits;

    /** 用mask防止溢出:位与运算保证计算的结果范围始终是 0-4095 **/
    private final long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);

    private long workerId;
    private long dataCenterId;
    private long sequence = 0L;
    private long lastTimestamp = -1L;
    private boolean isClock = false;

    /**
     * 基于Snowflake创建分布式ID生成器
     * <p>
     * 注：sequence
     *
     * @param workerId     工作机器ID,数据范围为0~31
     * @param dataCenterId 数据中心ID,数据范围为0~31
     */
    public Sequence(long workerId, long dataCenterId) {
        if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException(String.format("worker Id can't be greater than %d or less than 0", maxWorkerId));
        }
        if (dataCenterId > maxDataCenterId || dataCenterId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException(String.format("dataCenter Id can't be greater than %d or less than 0", maxDataCenterId));
        }

        this.workerId = workerId;
        this.dataCenterId = dataCenterId;
    }

    public void setClock(boolean clock) {
        isClock = clock;
    }

    /**
     * 获取ID
     *
     * @return
     */
    public synchronized Long nextId() {
        long timestamp = this.timeGen();

        // 闰秒：如果当前时间小于上一次ID生成的时间戳，说明系统时钟回退过这个时候应当抛出异常
        if (timestamp < lastTimestamp) {
            long offset = lastTimestamp - timestamp;
            if (offset <= 5) {
                try {
                    this.wait(offset << 1);
                    timestamp = this.timeGen();
                    if (timestamp < lastTimestamp) {
                        throw new RuntimeException(String.format("Clock moved backwards.  Refusing to generate id for %d milliseconds", offset));
                    }
                } catch (Exception e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            } else {
                throw new RuntimeException(String.format("Clock moved backwards.  Refusing to generate id for %d milliseconds", offset));
            }
        }

        // 解决跨毫秒生成ID序列号始终为偶数的缺陷:如果是同一时间生成的，则进行毫秒内序列
        if (lastTimestamp == timestamp) {
            // 通过位与运算保证计算的结果范围始终是 0-4095
            sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;
            if (sequence == 0) {
                timestamp = this.tilNextMillis(lastTimestamp);
            }
        } else {
            // 时间戳改变，毫秒内序列重置
            sequence = 0L;
        }

        lastTimestamp = timestamp;

        /*
         * 1.左移运算是为了将数值移动到对应的段(41、5、5，12那段因为本来就在最右，因此不用左移)
         * 2.然后对每个左移后的值(la、lb、lc、sequence)做位或运算，是为了把各个短的数据合并起来，合并成一个二进制数
         * 3.最后转换成10进制，就是最终生成的id
         */
        return ((timestamp - startTime) << timestampLeftShift) |
                (dataCenterId << dataCenterIdShift) |
                (workerId << workerIdShift) |
                sequence;
    }

    /**
     * 保证返回的毫秒数在参数之后(阻塞到下一个毫秒，直到获得新的时间戳)
     *
     * @param lastTimestamp
     * @return
     */
    private long tilNextMillis(long lastTimestamp) {
        long timestamp = this.timeGen();
        while (timestamp <= lastTimestamp) {
            timestamp = this.timeGen();
        }

        return timestamp;
    }

    /**
     * 获得系统当前毫秒数
     *
     * @return timestamp
     */
    private long timeGen() {
        if (isClock) {
            // 解决高并发下获取时间戳的性能问题
            return SystemClock.now();
        } else {
            return System.currentTimeMillis();
        }
    }

}

package cn.ms.sequence;

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

/**
 * 高并发场景下System.currentTimeMillis()的性能问题的优化
 * <p><p>
 * System.currentTimeMillis()的调用比new一个普通对象要耗时的多（具体耗时高出多少我还没测试过，有人说是100倍左右）<p>
 * System.currentTimeMillis()之所以慢是因为去跟系统打了一次交道<p>
 * 后台定时更新时钟，JVM退出时，线程自动回收<p>
 * 10亿：43410,206,210.72815533980582%<p>
 * 1亿：4699,29,162.0344827586207%<p>
 * 1000万：480,12,40.0%<p>
 * 100万：50,10,5.0%<p>
 *
 * @author lry
 */
public class SystemClock {

    private final long period;
    private final AtomicLong now;

    private SystemClock(long period) {
        this.period = period;
        this.now = new AtomicLong(System.currentTimeMillis());
        scheduleClockUpdating();
    }

    private static class InstanceHolder {
        public static final SystemClock INSTANCE = new SystemClock(1);
    }

    private static SystemClock instance() {
        return InstanceHolder.INSTANCE;
    }

    private void scheduleClockUpdating() {
        ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor(runnable -> {
            Thread thread = new Thread(runnable, "system-clock");
            thread.setDaemon(true);
            return thread;
        });
        scheduler.scheduleAtFixedRate(() -> now.set(System.currentTimeMillis()), period, period, TimeUnit.MILLISECONDS);
    }

    private long currentTimeMillis() {
        return now.get();
    }

    public static long now() {
        return instance().currentTimeMillis();
    }

    public static String nowDate() {
        return String.valueOf(now());
    }

}

测试类：

package cn.ms.sequence;

import org.databene.contiperf.PerfTest;
import org.databene.contiperf.junit.ContiPerfRule;
import org.junit.Rule;
import org.junit.Test;

/**
 * 性能测试
 *
 * @author lry
 */
public class ContiPerfTest {

    @Rule
    public ContiPerfRule i = new ContiPerfRule();

    Sequence sequence = new Sequence(0, 0);


    @Test
    @PerfTest(invocations = 500, threads = 100)
    public void test1() throws Exception {
        System.out.println(sequence.nextId());
    }

}

测试结果如下：

弱依赖ZooKeeper

除了每次会去ZK拿数据以外，也会在本机文件系统上缓存一个workerID文件。当ZooKeeper出现问题，恰好机器出现问题需要重启时，能保证服务能够正常启动。这样做到了对三方组件的弱依赖。一定程度上提高了SLA

解决时钟问题

因为这种方案依赖时间，如果机器的时钟发生了回拨，那么就会有可能生成重复的ID号，需要解决时钟回退的问题。

参见上图整个启动流程图，服务启动时首先检查自己是否写过ZooKeeper leaf_forever节点：

1. 若写过，则用自身系统时间与leaf_forever/${self}节点记录时间做比较，若小于leaf_forever/${self}时间则认为机器时间发生了大步长回拨，服务启动失败并报警。
2. 若未写过，证明是新服务节点，直接创建持久节点leaf_forever/${self}并写入自身系统时间，接下来综合对比其余Leaf节点的系统时间来判断自身系统时间是否准确，具体做法是取leaf_temporary下的所有临时节点(所有运行中的Leaf-snowflake节点)的服务IP：Port，然后通过RPC请求得到所有节点的系统时间，计算sum(time)/nodeSize。
3. 若abs( 系统时间-sum(time)/nodeSize ) < 阈值，认为当前系统时间准确，正常启动服务，同时写临时节点leaf_temporary/${self} 维持租约。
4. 否则认为本机系统时间发生大步长偏移，启动失败并报警。
5. 每隔一段时间(3s)上报自身系统时间写入leaf_forever/${self}。

由于强依赖时钟，对时间的要求比较敏感，在机器工作时NTP同步也会造成秒级别的回退，建议可以直接关闭NTP同步。要么在时钟回拨的时候直接不提供服务直接返回ERROR_CODE，等时钟追上即可。或者做一层重试，然后上报报警系统，更或者是发现有时钟回拨之后自动摘除本身节点并报警，如下：

 //发生了回拨，此刻时间小于上次发号时间
 if (timestamp < lastTimestamp) {
                
            long offset = lastTimestamp - timestamp;
            if (offset <= 5) {
                try {
                    //时间偏差大小小于5ms，则等待两倍时间
                    wait(offset << 1);//wait
                    timestamp = timeGen();
                    if (timestamp < lastTimestamp) {
                       //还是小于，抛异常并上报
                        throwClockBackwardsEx(timestamp);
                      }    
                } catch (InterruptedException e) {  
                   throw  e;
                }
            } else {
                //throw
                throwClockBackwardsEx(timestamp);
            }
        }
 //分配ID       
        

从上线情况来看，在2017年闰秒出现那一次出现过部分机器回拨，由于Leaf-snowflake的策略保证，成功避免了对业务造成的影响。