Java實現高效雪花算法生成唯一ID

一、雪花算法介紹

雪花算法是Twitter公司開源的一種用於生成全局唯一ID的算法，它可以保證在分佈式的情況下生成唯一ID，解決了傳統的遞增ID在分佈式場景下可能重複的問題。

雪花算法生成的ID是一個64位的長整型，由以下幾部分構成：

1. 時間戳
2. 機器ID
3. 序列號

其中，時間戳佔用41位，可以表示的時間範圍為2^41/(1000*60*60*24*365)，大約為69年。機器ID佔用10位，可以表示的最大機器數為2^10-1，即1023個。序列號佔用12位，可以表示的最大序號數為2^12-1，即4095個。

二、Java實現雪花算法

1、時間戳

首先，我們需要獲取當前時間的時間戳。Java中可以使用System.currentTimeMillis()方法獲取當前時間戳，不過它只能精確到毫秒級別，為了讓我們的ID更加唯一，我們可以使用System.nanoTime()方法獲取更加精確的時間戳，精確到納秒級別。

/**
 * 獲取當前時間戳，精確到納秒級別
 * @return 當前時間戳（毫秒+納秒）
 */
private static long getCurrentTimestamp() {
    long timestamp = System.nanoTime();
    return (timestamp - START_TIMESTAMP) / 1000000;
}

其中，START_TIMESTAMP是一個固定時間戳，用於計算時間戳的相對值。由於時間戳只佔用了41位，所以時間戳的範圍是有限的，為了避免時間戳滿足之後，衝突概率變高的問題，我們可以將START_TIMESTAMP設置為一個固定的值，比如2018年1月1日。

2、機器ID

雪花算法中，機器ID是用於指示不同機器的一個標識符。在分佈式系統中，不同的機器需要有不同的機器ID。可以通過配置文件等方式來獲取機器ID，也可以使用網卡MAC地址等實際唯一的標識符來獲取。

/**
 * 獲取機器ID，可以根據實際情況進行獲取
 * @return 機器ID
 */
private static long getMachineId() {
    // TODO 根據實際情況獲取機器ID
    return 1;
}

3、序列號

序列號用於保證同一時間內，同一台機器生成不同的ID。為了避免序列號重複，我們需要在同一毫秒內，使用不同的序列號。另外，由於序列號只佔用了12位，所以最多可以有4095個序列號，為了避免序列號使用完之後，需要等待到下一毫秒，我們可以將序列號的初始值設置為一個隨機數。

/**
 * 獲取序列號，同一毫秒內生成不同的序列號
 * @return 序列號
 */
private static long getSequence() {
    long sequence = sequenceGenerator.getAndIncrement();
    return sequence % SEQUENCE_LIMIT;
}

其中，sequenceGenerator是一個AtomicLong類型的變量，用於產生序列號，這個變量在程序啟動時，會被初始化為一個隨機數，用於保證每次重啟程序時，序列號不會從0開始計數。

三、Java實現雪花算法示例代碼

下面是一個完整的Java實現雪花算法的示例代碼：

/**
 * 雪花算法生成全局唯一ID
 */
public class SnowflakeIdGenerator {
    // 起始的時間戳：2018-01-01
    private static final long START_TIMESTAMP = 1514736000000L;
    // 機器ID所佔的位數
    private static final long MACHINE_ID_BITS = 10L;
    // 序列號所佔的位數
    private static final long SEQUENCE_BITS = 12L;
    // 支持的最大機器ID，結果是1023
    private static final long MAX_MACHINE_ID = ~(-1L << MACHINE_ID_BITS);
    // 支持的最大序列號，結果是4095
    private static final long SEQUENCE_LIMIT = ~(-1L < MAX_MACHINE_ID || machineId < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("MachineId can't be greater than " + MAX_MACHINE_ID + " or less than 0.");
        }
    }
    
    /**
     * 生成唯一ID
     * @return 返回64位的唯一ID
     */
    public static synchronized long generateId() {
        long timestamp = getCurrentTimestamp();
        if(timestamp < 0) {
            throw new IllegalStateException("Clock moved backwards, refuse to generate id.");
        }
        
        long sequence = getSequence();
        long id = ((timestamp - START_TIMESTAMP) << TIMESTAMP_SHIFT) |
                (machineId << MACHINE_ID_SHIFT) |
                sequence;
        return id;
    }
    
    /**
     * 獲取當前時間戳，精確到納秒級別
     * @return 當前時間戳（毫秒+納秒）
     */
    private static long getCurrentTimestamp() {
        long timestamp = System.nanoTime();
        return (timestamp - START_TIMESTAMP) / 1000000;
    }
    
    /**
     * 獲取機器ID，可以根據實際情況進行獲取
     * @return 機器ID
     */
    private static long getMachineId() {
        // TODO 根據實際情況獲取機器ID
        return 1;
    }
    
    /**
     * 獲取序列號，同一毫秒內生成不同的序列號
     * @return 序列號
     */
    private static long getSequence() {
        long sequence = sequenceGenerator.getAndIncrement();
        return sequence % SEQUENCE_LIMIT;
    }
}