C++ “雪花算法“原理

news2024/11/24 3:18:03

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;  
}