go和C# 雪花算法

雪花算法能满足高并发分布式系统环境下ID不重复，并且基于时间戳生成的id具有时序性和唯一性，结构如下：

 

 由图我们可以看出来，snowFlake ID结构是一个64bit的int型数据。

第1位bit：在二进制中最高位为1，表示的是负数，因为我们使用的id应该都是整数，所以这里最高位应该是0。

41bit时间戳：41位可以表示2^41-1个数字，如果只用来表示正整数，可以表示的数值范围是：0 - (2^41 -1)，这里减去1的原因就是因为数值范围是从0开始计算的，而不是从1开始的。这里的单位是毫秒，所以41位就可以表示2^41-1个毫秒值，这样转化成单位年则是(2^41-1)/(1000 * 60 * 60 * 24 * 365) = 69

10bit-工作机器id：这里是用来记录工作机器的id。2^10=1024表示当前规则允许分布式最大节点数为1024个节点。这里包括5位的workerID和5位的dataCenterID，这里其实可以不区分，但我下面的代码进行了区分。

12bit-序列号：用来记录同毫秒内产生的不同id。12bit可以表示的最大正整数是2^12-1=4095，即可以用0,1,2,3,......4094这4095个数字，表示同一机器同一时间戳(毫秒)内产生的4095个ID序号。

原理就是上面这些，没有什么难度吧，下面我们看代码如何实现：

go的实现如下：

package main
 
import (
    "errors"
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)
 
// 因为snowFlake目的是解决分布式下生成唯一id 所以ID中是包含集群和节点编号在内的
 
const (
    workerBits uint8 = 10 // 每台机器(节点)的ID位数 10位最大可以有2^10=1024个节点
    numberBits uint8 = 12 // 表示每个集群下的每个节点，1毫秒内可生成的id序号的二进制位数 即每毫秒可生成 2^12-1=4096个唯一ID
    // 这里求最大值使用了位运算，-1 的二进制表示为 1 的补码，感兴趣的同学可以自己算算试试 -1 ^ (-1 << nodeBits) 这里是不是等于 1023
    workerMax   int64 = -1 ^ (-1 << workerBits) // 节点ID的最大值，用于防止溢出
    numberMax   int64 = -1 ^ (-1 << numberBits) // 同上，用来表示生成id序号的最大值
    timeShift   uint8 = workerBits + numberBits // 时间戳向左的偏移量
    workerShift uint8 = numberBits              // 节点ID向左的偏移量
    // 41位字节作为时间戳数值的话 大约68年就会用完
    // 假如你2010年1月1日开始开发系统 如果不减去2010年1月1日的时间戳 那么白白浪费40年的时间戳啊！
    // 这个一旦定义且开始生成ID后千万不要改了 不然可能会生成相同的ID
    epoch int64 = 1525705533000 // 这个是我在写epoch这个变量时的时间戳(毫秒)
)
 
// 定义一个woker工作节点所需要的基本参数
type Worker struct {
    mu        sync.Mutex // 添加互斥锁 确保并发安全
    timestamp int64      // 记录时间戳
    workerId  int64      // 该节点的ID
    number    int64      // 当前毫秒已经生成的id序列号(从0开始累加) 1毫秒内最多生成4096个ID
}
 
// 实例化一个工作节点
func NewWorker(workerId int64) (*Worker, error) {
    // 要先检测workerId是否在上面定义的范围内
    if workerId < 0 || workerId > workerMax {
        return nil, errors.New("Worker ID excess of quantity")
    }
    // 生成一个新节点
    return &Worker{
        timestamp: 0,
        workerId:  workerId,
        number:    0,
    }, nil
}
 
// 接下来我们开始生成id
// 生成方法一定要挂载在某个woker下，这样逻辑会比较清晰 指定某个节点生成id
func (w *Worker) GetId() int64 {
    // 获取id最关键的一点 加锁 加锁 加锁
    w.mu.Lock()
    defer w.mu.Unlock() // 生成完成后记得 解锁 解锁 解锁
 
    // 获取生成时的时间戳
    now := time.Now().UnixNano() / 1e6 // 纳秒转毫秒
    if w.timestamp == now {
        w.number++
 
        // 这里要判断，当前工作节点是否在1毫秒内已经生成numberMax个ID
        if w.number > numberMax {
            // 如果当前工作节点在1毫秒内生成的ID已经超过上限 需要等待1毫秒再继续生成
            for now <= w.timestamp {
                now = time.Now().UnixNano() / 1e6
            }
        }
    } else {
        // 如果当前时间与工作节点上一次生成ID的时间不一致 则需要重置工作节点生成ID的序号
        w.number = 0
        w.timestamp = now // 将机器上一次生成ID的时间更新为当前时间
    }
 
    // 第一段 now - epoch 为该算法目前已经奔跑了xxx毫秒
    // 如果在程序跑了一段时间修改了epoch这个值 可能会导致生成相同的ID
    //int64((now - epoch) << timeShift |w.datacenterId << 17 | (w.workerId << 12) | w.number)
    ID := int64((now-epoch)<<timeShift | (w.workerId << workerShift) | (w.number))
    return ID
}
 
func main() {
    worker, err := NewWorker(1)
    if err != nil {
        fmt.Println(err)
        return
    }
    for i := 0; i < 10000; i++ {
        id := worker.GetId()
        fmt.Println(id)
    }
 
}

C# 实现：

public class IdWorker
{   
    //机器ID
    private static long workerId;
    private static long twepoch = 687888001020L; //唯一时间，这是一个避免重复的随机量，自行设定不要大于当前时间戳
    private static long sequence = 0L;
    private static int workerIdBits = 4; //机器码字节数。4个字节用来保存机器码(定义为Long类型会出现，最大偏移64位，所以左移64位没有意义)
    public static long maxWorkerId = -1L ^ -1L << workerIdBits; //最大机器ID
    private static int sequenceBits = 10; //计数器字节数，10个字节用来保存计数码
    private static int workerIdShift = sequenceBits; //机器码数据左移位数，就是后面计数器占用的位数
    private static int timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits; //时间戳左移动位数就是机器码和计数器总字节数
    public static long sequenceMask = -1L ^ -1L << sequenceBits; //一微秒内可以产生计数，如果达到该值则等到下一微妙在进行生成
    private long lastTimestamp = -1L;
 
    /// <summary>
    /// 机器码
    /// </summary>
    /// <param name="workerId"></param>
    public IdWorker(long workerId)
    {
        if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0){
            throw new Exception(string.Format("worker Id can't be greater than {0} or less than 0 ", workerId));
        }
 
        IdWorker.workerId = workerId;
    }
 
    public long nextId()
    {
        lock (this)
        {
            long timestamp = timeGen();
            if (this.lastTimestamp == timestamp)
            { 
                //同一微妙中生成ID
                IdWorker.sequence = (IdWorker.sequence + 1) & IdWorker.sequenceMask; //用&运算计算该微秒内产生的计数是否已经到达上限
                if (IdWorker.sequence == 0)
                {
                    //一微妙内产生的ID计数已达上限，等待下一微妙
                    timestamp = tillNextMillis(this.lastTimestamp);
                }
            }
            else
            { 
                //不同微秒生成ID
                IdWorker.sequence = 0; //计数清0
            }
            if (timestamp < lastTimestamp)
            { 
                //如果当前时间戳比上一次生成ID时时间戳还小，抛出异常，因为不能保证现在生成的ID之前没有生成过
                throw new Exception(string.Format("Clock moved backwards.  Refusing to generate id for {0} milliseconds",
                    this.lastTimestamp - timestamp));
            }
 
            this.lastTimestamp = timestamp; //把当前时间戳保存为最后生成ID的时间戳
            long nextId = (timestamp - twepoch << timestampLeftShift) | IdWorker.workerId << IdWorker.workerIdShift | IdWorker.sequence;
           
            return nextId;
        }
    }
 
    /// <summary>
    /// 获取下一微秒时间戳
    /// </summary>
    /// <param name="lastTimestamp"></param>
    /// <returns></returns>
    private long tillNextMillis(long lastTimestamp)
    {
        long timestamp = timeGen();
        while (timestamp <= lastTimestamp)
        {
            timestamp = timeGen();
        }
        return timestamp;
    }
 
    /// <summary>
    /// 生成当前时间戳
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    private long timeGen()
    {
        return (long)(DateTime.UtcNow - new DateTime(1970, 1, 1, 0, 0, 0, DateTimeKind.Utc)).TotalMilliseconds;
    }
}
 
class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            IdWorker idworker = new IdWorker(1);
            for (int i = 0; i < 1000; i++)
            {
            　　Console.WriteLine(idworker.nextId());
            }
 
        }
 
 
    }