UUID使用

news2024/11/19 20:45:22

1.UUID是什么？

UUID 是指（Universally Unique Identifier）通用唯一识别码，128位。RFC 4122描述了具体的规范实现。

2.UUID解决问题？

分库分表后自增Id重复问题。

3.UUID作用？

UUID 的目的是让分布式系统中的所有元素都能有唯一的识别信息。

4.UUID定义

UUID使用16进制表示，共有36个字符（32个字母数字+4个链接符“-”）组成，格式为8-4-4-4-12；是128位。
是由一组32位数的16进制数字所构成，故UUID理论上的总数为16^32 ；

格式：
xxxxxxxx-xxxx-Mxxx-Nxxx-xxxxxxxxxxxx
 
示例：
6d25a684-9558-11e9-aa94-efccd7a0659b

格式中M和N的含义：
数字 M的四位表示 UUID 版本，当前规范有5个版本，M可选值为1, 2, 3, 4, 5 ；
数字 N的一至四个最高有效位表示 UUID 变体( variant )，有固定的两位10xx因此只可能取值8, 9, a, b。

UUID的五个版本

version 1, date-time & MAC address
version 2, date-time & group/user id
version 3, MD5 hash & namespace
version 4, pseudo-random number
version 5, SHA-1 hash & namespace

故UUID每个版本不是根据精度区分的，Version5并不会比Version1精度高，在精度上，大家都能保证唯一性，重复的概率近乎于0。

版本1——date-time & MAC address
基于时间戳及MAC地址的UUID实现。它包括了48位的MAC地址和60位的时间戳。
版本2——date-time Mac address
RFC没有提供具体的实现细节，以至于大部分的UUID库都没有实现它，只在特定的场景(DCE security)才会用到。所以绝大数情况，我们也不会碰到它。
版本3,5——namespace name-based
V3和V5都是通过hash namespace的标识符和名称生成的。V3使用MD5作为hash函数，V5则使用SHA-1。
因为里面没有不确定的部分，所以当namespace与输入参数确定时，得到的UUID都是确定唯一的。

uuid -n 3 -v3 ns:URL http://www.baidu.com
2f67490d-55a4-395e-b540-457195f7aa95
2f67490d-55a4-395e-b540-457195f7aa95
2f67490d-55a4-395e-b540-457195f7aa95

可以看到这3个UUID都是一样的。
具体的流程就是

把namespace和输入参数拼接在一起，如"http/http://wwwbaidu.com" ++ “/query=uuid”；
使用MD5算法对拼接后的字串进行hash，截断为128位；
把UUID的Version和variant字段都替换成固定的;
如果需要to_string，需要转为16进制和加上连接符"-"。
把V3的hash算法由MD5换成SHA-1就成了V5。
版本4——random
这个版本使用最为广泛。

uuid -n 5 -v4
a3535b78-69dd-4a9e-9a79-57e2ea28981b
a9ba3122-d89b-4855-85f1-92a018e5c457
7c59d031-a143-4676-a8ce-1b24200ab463
533831da-eab4-4c7d-a3f6-1e2da5a4c9a0
def539e8-d298-4575-b769-b55d7637b51e

其中4位代表版本，2-3位代表variant。余下的122-121位都是全部随机的。即有2的122次方(5.3后面36个0)个UUID。一个标准实现的UUID库在生成了2.71万亿个UUID会产生重复UUID的可能性也只有50%的概率：请添加图片描述
这相当于每秒产生10亿的UUID，持续85年，而把这些UUID都存入文件，每个UUID占16bytes,总需要45 EB(exabytes)，比目前最大的数据库(PB)还要大很多倍。

5.UUID的重复概率

Java中UUID使用的是版本4进行的实现，所以由
java.util.UUID类产生的 UUID，128个比特中，有122个比特是随机产生，4个比特标识版本被使用，还有2个标识变体被使用。利用生日悖论，可计算出两笔 UUID 拥有相同值的机率约为
在这里插入图片描述
其中x为 UUID 的取值范围，n为 UUID 的个数。

以下是以 x = 2^{122} 计算出n笔 UUID 后产生碰撞的机率：请添加图片描述
换句话说，每秒产生10亿笔 UUID ，100年后只产生一次重复的机率是50%。如果地球上每个人都各有6亿笔 UUID，发生一次重复的机率是50%。与被陨石击中的机率比较的话，已知一个人每年被陨石击中的机率估计为170亿分之1，也就是说机率大约是0.00000000006 (6 x )，等同于在一年内生产2000亿个 UUID 并发生一次重复。

6.Java实现

Java中 UUID 对版本4进行了实现，原理是由强伪随机数生成器生成伪随机数。

    /**
     * 使用静态工厂来获取版本4（伪随机数生成器）的 UUID
     * Static factory to retrieve a type 4 (pseudo randomly generated) UUID.
     * 这个UUID生成使用了强加密的伪随机数生成器(PRNG)
     * The {@code UUID} is generated using a cryptographically strong pseudo
     * random number generator.
     *
     * @return  A randomly generated {@code UUID}
     */
    public static UUID randomUUID() {
        // 与Random(弱伪随机数生成器)不一样，SecureRandom是强伪随机数生成器，结果不可预测
        // 使用SecureRandom生成随机数，替换version和variant就是 UUID
        SecureRandom ng = Holder.numberGenerator;
 
        byte[] randomBytes = new byte[16];
        ng.nextBytes(randomBytes);
        randomBytes[6]  &= 0x0f;  /* clear version        */
        randomBytes[6]  |= 0x40;  /* set to version 4     */
        randomBytes[8]  &= 0x3f;  /* clear variant        */
        randomBytes[8]  |= 0x80;  /* set to IETF variant  */
        return new UUID(randomBytes);
    }
 
    /**
     * 对版本3的实现，对于给定的字符串（name）总能生成相同的UUID
     * Static factory to retrieve a type 3 (name based) {@code UUID} based on
     * the specified byte array.
     *
     * @param  name
     *         A byte array to be used to construct a {@code UUID}
     *
     * @return  A {@code UUID} generated from the specified array
     */
    public static UUID nameUUIDFromBytes(byte[] name) {
        MessageDigest md;
        try {
            md = MessageDigest.getInstance("MD5");
        } catch (NoSuchAlgorithmException nsae) {
            throw new InternalError("MD5 not supported", nsae);
        }
        byte[] md5Bytes = md.digest(name);
        md5Bytes[6]  &= 0x0f;  /* clear version        */
        md5Bytes[6]  |= 0x30;  /* set to version 3     */
        md5Bytes[8]  &= 0x3f;  /* clear variant        */
        md5Bytes[8]  |= 0x80;  /* set to IETF variant  */
        return new UUID(md5Bytes);
    }

生成 UUID

// Java语言实现
import java.util.UUID;
 
public class UUIDProvider{
    public static String getUUID(){
        return UUID.randomUUID().toString().replaceAll("-", "");
    }
    public static void main(String[] args) {
        // 利用伪随机数生成版本为4,变体为9的UUID
        System.out.println(UUID.randomUUID());
        
        // 对于相同的命名空间总是生成相同的UUID,版本为3,变体为9
        // 命名空间为"mwq"时生成的UUID总是为06523e4a-9a66-3687-9334-e41dab27cef4
        System.out.println(UUID.nameUUIDFromBytes("mwq".getBytes()));
    }
}