【Sql Server】在SQL Server中生成雪花ID(Snowflake ID)

news2025/3/31 22:20:41

大家好,我是全栈小5,欢迎来到《小5讲堂》。
这是《Sql Server》系列文章,每篇文章将以博主理解的角度展开讲解。
温馨提示:博主能力有限,理解水平有限,若有不对之处望指正!

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目录

  • 前言
  • 认识雪花ID
    • 雪花ID的核心特点
    • 雪花ID的结构(64位)
    • 雪花ID的优势
    • 雪花ID的局限性
    • 雪花ID的应用场景
    • 示例ID解析
  • 生成雪花ID
    • 使用T-SQL函数实现
    • 查看效果
  • 文章推荐

前言

在我的印象中用到这个雪花ID比较少,可能是我接触的大型项目或者开源项目比较少,同时接触到中大型分布式也比较少,基本都是自研系统,用的是自增ID和GuidValue作为唯一编号。
最近项目上使用了一套第三方框架代码,使用了雪花ID作为表的唯一主键,并且之前表没有这个字段,需要进行表迁移的同时初始化雪花ID字段值。
因此,趁这次机会简单总结下雪花ID以及在Sql Server上如何生成雪花ID。

认识雪花ID

雪花ID是Twitter开发的一种分布式唯一ID生成算法,主要用于在分布式系统中生成全局唯一的ID标识符。它的名称来源于"自然界中没有两片完全相同的雪花"这一概念,象征着每个生成的ID都是独一无二的。

雪花ID的核心特点

  1. 全局唯一性:在分布式系统中生成的ID不会重复
  2. 时间有序性:ID按照时间顺序递增
  3. 高性能:本地生成,不依赖数据库等外部系统
  4. 可解析:ID中包含的信息可以被解析出来

雪花ID的结构(64位)

标准的雪花ID由以下三部分组成(共64位):

| 1位符号位 | 41位时间戳 | 10位工作节点ID | 12位序列号 |

具体分解:

  1. 符号位(1位):始终为0,保证ID为正数
  2. 时间戳(41位):毫秒级的时间戳,可以使用约69年
    • 通常从自定义纪元开始计算(如Twitter使用2010-11-04 01:42:54 UTC)
  3. 工作节点ID(10位)
    • 通常分为5位数据中心ID + 5位机器ID
    • 最多支持32个数据中心,每个数据中心32台机器
  4. 序列号(12位):同一毫秒内的序列号,支持每毫秒生成4096个ID

雪花ID的优势

  1. 分布式友好:不同节点可以独立生成ID而不需要协调
  2. 时间有序:生成的ID按时间递增,有利于数据库索引
  3. 高性能:本地生成,不依赖网络或数据库
  4. 信息丰富:ID本身包含时间、节点等信息

雪花ID的局限性

  1. 时钟依赖:严重依赖系统时钟,时钟回拨会导致ID重复
  2. 节点ID配置:需要手动或通过外部系统分配节点ID
  3. 时间耗尽:41位时间戳大约69年后会耗尽

雪花ID的应用场景

  1. 分布式系统主键生成
  2. 订单号、交易号等业务编号
  3. 日志跟踪ID
  4. 任何需要全局唯一且有序ID的场景

示例ID解析

假设一个雪花ID:123456789012345678

转换为二进制后可以解析出:

  • 时间戳部分:可以转换为具体的生成时间
  • 工作节点部分:知道是在哪个数据中心哪台机器生成的
  • 序列号部分:知道这是该毫秒内生成的第几个ID

雪花ID因其简单高效的特性,已经成为分布式系统ID生成的经典解决方案之一。

生成雪花ID

雪花ID是Twitter提出的一种分布式ID生成算法,它生成64位的唯一ID,通常包含时间戳、工作节点ID和序列号。
在SQL Server中可以通过以下几种方式实现雪花ID的生成:

使用T-SQL函数实现

-- 创建配置表
CREATE TABLE SnowflakeConfig (
    MachineId BIGINT NOT NULL,
    DatacenterId BIGINT NOT NULL,
    LastTimestamp BIGINT NOT NULL,
    Sequence BIGINT NOT NULL,
    CONSTRAINT PK_SnowflakeConfig PRIMARY KEY (MachineId, DatacenterId)
);
-- 初始化配置 (机器ID和数据中心ID需要在每个节点上配置不同)
INSERT INTO SnowflakeConfig (MachineId, DatacenterId, LastTimestamp, Sequence)
VALUES (1, 1, 0, 0);
-- 创建获取当前时间戳的函数
CREATE FUNCTION GetCurrentTimestamp()
RETURNS BIGINT
AS
BEGIN
    DECLARE @epoch DATETIME2 = '1970-01-01 00:00:00';
    DECLARE @now DATETIME2 = SYSUTCDATETIME();
    RETURN CAST(DATEDIFF_BIG(MILLISECOND, @epoch, @now) AS BIGINT);
END;
-- 创建等待下一毫秒的函数
CREATE FUNCTION TilNextMillis(@lastTimestamp BIGINT)
RETURNS BIGINT
AS
BEGIN
    DECLARE @timestamp BIGINT;
    SET @timestamp = dbo.GetCurrentTimestamp();
    
    WHILE @timestamp <= @lastTimestamp
    BEGIN
        SET @timestamp = dbo.GetCurrentTimestamp();
    END
    
    RETURN @timestamp;
END;
GO
-- 创建计算幂的函数(替代位移操作)
CREATE FUNCTION PowerOfTwo(@exponent BIGINT)
RETURNS BIGINT
AS
BEGIN
    RETURN CAST(POWER(CAST(2 AS FLOAT), @exponent) AS BIGINT);
END;
GO
-- 创建生成雪花ID的存储过程
CREATE PROCEDURE GenerateSnowflakeId
    @MachineId BIGINT = 1,
    @DatacenterId BIGINT = 1,
    @SnowflakeId BIGINT OUTPUT
AS
BEGIN
    SET NOCOUNT ON;
    
    -- 常量定义
    DECLARE @Twepoch BIGINT = 1700058600000;
    DECLARE @MachineIdBits BIGINT = 5;
    DECLARE @DatacenterIdBits BIGINT = 5;
    DECLARE @SequenceBits BIGINT = 12;
    
    -- 使用POWER计算替代位移
    DECLARE @MaxMachineId BIGINT = dbo.PowerOfTwo(@MachineIdBits) - 1;
    DECLARE @MaxDatacenterId BIGINT = dbo.PowerOfTwo(@DatacenterIdBits) - 1;
    DECLARE @SequenceMask BIGINT = dbo.PowerOfTwo(@SequenceBits) - 1;
    
    DECLARE @MachineIdShift BIGINT = @SequenceBits;
    DECLARE @DatacenterIdShift BIGINT = @SequenceBits + @MachineIdBits;
    DECLARE @TimestampLeftShift BIGINT = @SequenceBits + @MachineIdBits + @DatacenterIdBits;
    
    -- 验证参数
    IF @MachineId > @MaxMachineId OR @MachineId < 0
    BEGIN
        THROW 50000, 'MachineId can''t be greater than maxMachineId or less than 0', 1;
        RETURN;
    END
    
    IF @DatacenterId > @MaxDatacenterId OR @DatacenterId < 0
    BEGIN
        THROW 50000, 'DatacenterId can''t be greater than maxDatacenterId or less than 0', 1;
        RETURN;
    END
    
    -- 使用事务确保原子性
    BEGIN TRANSACTION;
    
    BEGIN TRY
        DECLARE @LastTimestamp BIGINT;
        DECLARE @Sequence BIGINT;
        DECLARE @Timestamp BIGINT;
        
        -- 获取当前状态
        SELECT @LastTimestamp = LastTimestamp, @Sequence = Sequence
        FROM SnowflakeConfig WITH (UPDLOCK)
        WHERE MachineId = @MachineId AND DatacenterId = @DatacenterId;
        
        -- 获取当前时间戳
        SET @Timestamp = dbo.GetCurrentTimestamp();
        
        -- 检查时钟回拨
        IF @Timestamp < @LastTimestamp
        BEGIN
            ROLLBACK TRANSACTION;
            THROW 50000, 'Clock moved backwards. Refusing to generate id', 1;
            RETURN;
        END
        
        -- 同一毫秒内生成多个ID
        IF @LastTimestamp = @Timestamp
        BEGIN
            SET @Sequence = (@Sequence + 1) & @SequenceMask;
            IF @Sequence = 0
            BEGIN
                -- 序列耗尽,等待下一毫秒
                SET @Timestamp = dbo.TilNextMillis(@LastTimestamp);
            END
        END
        ELSE
        BEGIN
            SET @Sequence = 0;
        END
        
        -- 更新状态
        UPDATE SnowflakeConfig
        SET LastTimestamp = @Timestamp,
            Sequence = @Sequence
        WHERE MachineId = @MachineId AND DatacenterId = @DatacenterId;
        
        -- 生成ID (使用乘法替代位移)
        SET @SnowflakeId = 
            (@Timestamp - @Twepoch) * dbo.PowerOfTwo(@TimestampLeftShift) +
            @DatacenterId * dbo.PowerOfTwo(@DatacenterIdShift) +
            @MachineId * dbo.PowerOfTwo(@MachineIdShift) +
            @Sequence;
        
        COMMIT TRANSACTION;
    END TRY
    BEGIN CATCH
        ROLLBACK TRANSACTION;
        THROW;
    END CATCH
END;
GO

查看效果

-- 使用存储过程版本
DECLARE @Id BIGINT;
EXEC GenerateSnowflakeId @MachineId = 1, @DatacenterId = 1, @SnowflakeId = @Id OUTPUT;
SELECT @Id AS SnowflakeId;

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