C# 分布式自增ID算法snowflake（雪花算法）

概述

分布式系统中，有一些需要使用全局唯一ID的场景，这种时候为了防止ID冲突可以使用36位的UUID，但是UUID有一些缺点，首先他相对比较长，另外UUID一般是无序的。有些时候我们希望能使用一种简单一些的ID，并且希望ID能够按照时间有序生成。而Twitter的snowflake解决了这种需求，最初Twitter把存储系统从MySQL迁移到Cassandra，因为Cassandra没有顺序ID生成机制，所以开发了这样一套全局唯一ID生成服务。 该项目地址为：https://github.com/twitter/snowflake是用Scala实现的。

结构

snowflake的结构如下(每部分用-分开):

0 - 0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0 - 00000 - 00000 - 000000000000

第一位为未使用，接下来的41位为毫秒级时间(41位的长度可以使用69年)，然后是5位datacenterId和5位machineId(10位的长度最多支持部署1024个节点） ，最后12位是毫秒内的计数（12位的计数顺序号支持每个节点每毫秒产生4096个ID序号）

一共加起来刚好64位，为一个Long型。(转换成字符串长度为18)

snowflake生成的ID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datacenter和machineId作区分），并且效率较高。据说：snowflake每秒能够产生26万个ID。

代码

using System;
/// <summary>
/// Twitter的分布式自增ID雪花算法
/// </summary>
public class IdWorker
{
    //起始的时间戳
    private static long START_STMP = 1480166465631L;

    //每一部分占用的位数
    private static int SEQUENCE_BIT = 12; //序列号占用的位数
    private static int MACHINE_BIT = 5;   //机器标识占用的位数
    private static int DATACENTER_BIT = 5;//数据中心占用的位数

    //每一部分的最大值
    private static long MAX_DATACENTER_NUM = -1L ^ (-1L << DATACENTER_BIT);
    private static long MAX_MACHINE_NUM = -1L ^ (-1L << MACHINE_BIT);
    private static long MAX_SEQUENCE = -1L ^ (-1L << SEQUENCE_BIT);

    //每一部分向左的位移
    private static int MACHINE_LEFT = SEQUENCE_BIT;
    private static int DATACENTER_LEFT = SEQUENCE_BIT + MACHINE_BIT;
    private static int TIMESTMP_LEFT = DATACENTER_LEFT + DATACENTER_BIT;

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

    #region 单例:完全懒汉
    private static readonly Lazy<IdWorker> lazy = new Lazy<IdWorker>(() => new IdWorker());
    public static IdWorker Singleton { get { return lazy.Value; } }
    private IdWorker() { }
    #endregion

    public IdWorker(long cid, long mid)
    {
        if (cid > MAX_DATACENTER_NUM || cid < 0) throw new Exception($"中心Id应在(0,{MAX_DATACENTER_NUM})之间");
        if (mid > MAX_MACHINE_NUM || mid < 0) throw new Exception($"机器Id应在(0,{MAX_MACHINE_NUM})之间");
        datacenterId = cid;
        machineId = mid;
    }

    /// <summary>
    /// 产生下一个ID
    /// </summary>
    /// <returns></returns>
    public long nextId()
    {
        long currStmp = getNewstmp();
        if (currStmp < lastStmp) throw new Exception("时钟倒退，Id生成失败！");

        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_STMP) << 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 (long)(DateTime.UtcNow - new DateTime(1970, 1, 1, 0, 0, 0, DateTimeKind.Utc)).TotalMilliseconds;
    }
}

使用

IdWorker idworker = IdWorker.Singleton;
Console.WriteLine(idworker.nextId());

测试

两种测试方法，均为500并发，生成5000个Id：

• Machine1() 模拟1台主机，单例模式获取实例
• Machine5() 模拟5台主机，创建5个实例

static void Main(string[] args)
{
    //Machine1();
    Machine5();
    Console.ReadLine();
}

static void Machine1()
{
    for (int j = 0; j < 500; j++)
    {
        Task.Run(() =>
        {
            IdWorker idworker = IdWorker.Singleton;
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                Console.WriteLine(idworker.nextId());
            }
        });
    }
}

static void Machine5()
{
    List<IdWorker> workers = new List<IdWorker>();
    Random random = new Random();
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        workers.Add(new IdWorker(1, i + 1));
    }
    for (int j = 0; j < 500; j++)
    {
        Task.Run(() =>
        {
            for (int i = 0; i < 10; i++)
            {
                int mid = random.Next(0, 5);
                Console.WriteLine(workers[mid].nextId());
            }
        });
    }
}