C++雪花算法并不是传统的数据结构与算法而是一种崭新的分布式算法 属于深层次C++ 本篇文章就来描述一下雪花算法
什么是雪花算法:
雪花算法(Snowflake)是Twitter开源的一种分布式唯一ID生成算法。它可以在不依赖于数据库等其他存储设施的情况下,生成全局唯一的ID。雪花算法生成的ID是一个64位的长整型数,具体结构如下:
- 第1位:符号位,固定为0,表示生成的ID为正数。
- 接下来的41位:时间戳(毫秒级),记录了生成ID的时间,可以使用69年。
- 然后的10位:机器ID,用于标识不同的机器,可以根据自身需求配置。其中,前5位是机房号,表示最多有32个机房;后5位是机器ID,表示每个机房最多有32台机器。
- 最后12位:序列号,用于表示在同一毫秒内生成的多个ID的顺序,支持每台机器每毫秒产生4096个ID。
雪花算法保证了在分布式系统中生成的ID是唯一的、有序的、可排序的,并且不需要依赖于数据库等其他存储设施。同时,雪花算法的高性能、高可用和自增特性,使其在存入数据库中时,索引效率高。
需要注意的是,雪花算法在实际使用时,每台机器需要配置一个唯一的机器ID,以保证生成的ID不与其他机器生成的ID重复。此外,还需要注意时钟回拨的问题,即当本地时钟发生回拨时,可能会导致生成的ID出现重复或者乱序的情况。
snowflake-64bit 组成分析:
分别有三部分(其中第一位保留位,暂时没用):
- 第一部分:时间戳(毫秒级),这里为41bit
- 第二部分:工作机器id,一般为==5bit数据中心id(datacenterId)+5bit机器id(workerId)==组成,10位的长度最多支持部署1024个节点
- 第三部分:在相同毫秒内,可以产生2^12 个id,12位的计数顺序号支持每个节点每毫秒产生4096个ID序列
snowflake-32bit
大致与64bit相同,唯一区别是时间戳部分这里仅占用32bit,因为保存的时间戳为:当前时间戳-雪花算法开始的时间戳,得出来的数据仅用10bit就可以保存,位数越少,对磁盘、数据索引等数据提高越明显
雪花代码运行过程中逻辑图:
总结:还有利用数据库来生成分布式全局唯一ID方案,不过性能与稳定性都不如snowflake,针对snowflake比较成熟的解决方案可以参考 美团点评分布式ID生成系统。
雪花算法代码实例:
#include <iostream> #include <chrono> #include <thread> #include <random> // 雪花算法生成的ID的位数 const int64_t kEpoch = 1609459200000; // 起始时间戳(毫秒级),这里假设为2021-01-01 00:00:00 UTC const int64_t kWorkerIdBits = 5; // 机器ID所占的位数 const int64_t kDatacenterIdBits = 5; // 数据中心ID所占的位数 const int64_t kSequenceBits = 12; // 序列号所占的位数 // 机器ID和数据中心ID,这些值需要根据实际情况进行配置 const int64_t kWorkerId = 1; const int64_t kDatacenterId = 1; // 用于生成序列号的随机数生成器 std::mt19937 gen(static_cast<unsigned int>(time(0))); std::uniform_int_distribution<> dis(0, (1 << kSequenceBits) - 1); // 生成雪花算法ID int64_t generateSnowflakeId() { int64_t timestamp = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>( std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch()).count() - kEpoch; // 如果当前时间小于上一次生成ID的时间戳,说明系统时钟回退过,应当抛出异常 static int64_t lastTimestamp = -1; if (timestamp < lastTimestamp) { throw std::runtime_error("Clock moved backwards. Refusing to generate id for " + std::to_string(lastTimestamp - timestamp) + " milliseconds"); } // 如果是同一时间戳,则进行序列号自增 if (lastTimestamp == timestamp) { timestamp = lastTimestamp; } else { // 不同时间戳,序列号置为0 sequence = 0; } // 上次生成ID的时间截 lastTimestamp = timestamp; // 移位并通过或运算拼到一起组成64位的ID return ((timestamp << (kWorkerIdBits + kDatacenterIdBits + kSequenceBits)) | (kDatacenterId << (kWorkerIdBits + kSequenceBits)) | (kWorkerId << kSequenceBits) | sequence); } int main() { try { for (int i = 0; i < 10; ++i) { int64_t id = generateSnowflakeId(); std::cout << "Generated ID: " << id << std::endl; } } catch (const std::exception& e) { std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl; } return 0; }
generateSnowflakeId
函数负责生成雪花算法ID。它首先获取当前时间戳,然后检查是否发生了时钟回拨。如果没有回拨,它会根据时间戳、数据中心ID、机器ID和序列号生成一个唯一的64位ID。
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