前言
在设计数据库的时候，我们通常需要给业务数据表分配主键，很多时候，为了省事，我都是直接使用 GUID/UUID 的方式，但是在 MonggoDB 中，其内部实现了 ObjectId（以下统称为Oid）。并且在.NETCore 的驱动中给出了源代码的实现。
经过仔细研读官方的源码后发现，其实现原理非常的简单易学，在最新的版本中，阉割了 UnPack 函数，可能是官方觉得解包是没什么太多的使用场景的，但是我们认为，对于数据溯源来说，解包的操作实在是非常有必要，特别是在目前的微服务大流行的背景下。
为此，在参考官方代码的基础上进行了部分改进，增加了一下自己的需求。本示例代码增加了解包的操作、对 string 的隐式转换、提供读取解包后数据的公开属性。
ObjectId 的数据结构
首先，我们来看 Oid 的数据结构的设计。
从上图可以看出，Oid 的数据结构主要由四个部分组成，分别是：Unix时间戳、机器名称、进程编号、自增编号。Oid 实际上是总长度为12个字节24的字符串，易记口诀为：4323，时间4字节，机器名3字节，进程编号2字节，自增编号3字节。
1、Unix时间戳：Unix时间戳以秒为记录单位，即从1970/1/1 00:00:00 开始到当前时间的总秒数。
2、机器名称：记录当前生产Oid的设备号
3、进程编号：当前运行Oid程序的编号
4、自增编号：在当前秒内，每次调用都将自动增长（已实现线程安全）
根据算法可知，当前一秒内产生的最大 id 数量为 2^24=16777216 条记录，所以无需过多担心 id 碰撞的问题。
实现思路
先来看一下代码实现后的类结构图。
通过上图可以发现，类图主要由两部分组成，ObjectId/ObjectIdFactory，在类 ObjectId 中，主要实现了生产、解包、计算、转换、公开数据结构等操作，而 ObjectIdFactory 只有一个功能，就是生产 Oid。
所以，我们知道，类 ObjectId 中的 NewId 实际是调用了 ObjectIdFactory 的 NewId 方法。
为了生产效率的问题，在 ObjectId 中声明了静态的 ObjectIdFactory 对象，有一些初始化的工作需要在程序启动的时候在 ObjectIdFactory 的构造函数内部完成，比如获取机器名称和进程编号，这些都是一次性的工作。
类 ObjectIdFactory 的代码实现
public class ObjectIdFactory
{
private int increment;
private readonly byte[] pidHex;
private readonly byte[] machineHash;
private readonly UTF8Encoding utf8 = new UTF8Encoding(false);
private readonly DateTime unixEpoch = new DateTime(1970, 1, 1, 0, 0, 0, DateTimeKind.Utc);
public ObjectIdFactory()
{
MD5 md5 = MD5.Create();
machineHash = md5.ComputeHash(utf8.GetBytes(Dns.GetHostName()));
pidHex = BitConverter.GetBytes(Process.GetCurrentProcess().Id);
Array.Reverse(pidHex);
}
///
/// 产生一个新的 24 位唯一编号
///
/// ObjectIdFactory 的内部实现非常的简单，但是也是整个 Oid 程序的核心，在构造函数中获取机器名称和进程编号以备后续生产使用，在核心方法 NewId 中，依次将 Timestamp、machineHash、pidHex、increment 写入数组中，最后调用 new ObjectId(hex) 返回生产好的 Oid。
类 ObjectId 的代码实现
public class ObjectId
{
private readonly static ObjectIdFactory factory = new ObjectIdFactory();
public ObjectId(byte[] hexData)
{
this.Hex = hexData;
ReverseHex();
}
public override string ToString()
{
if (Hex == null)
Hex = new byte[12];
StringBuilder hexText = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < this.Hex.Length; i++)
{
hexText.Append(this.Hex[i].ToString("x2"));
}
return hexText.ToString();
}
public override int GetHashCode() => ToString().GetHashCode();
public ObjectId(string value)
{
if (string.IsNullOrEmpty(value)) throw new ArgumentNullException("value");
if (value.Length != 24) throw new ArgumentOutOfRangeException("value should be 24 characters");
Hex = new byte[12];
for (int i = 0; i < value.Length; i += 2)
{
try
{
Hex[i / 2] = Convert.ToByte(value.Substring(i, 2), 16);
}
catch
{
Hex[i / 2] = 0;
}
}
ReverseHex();
}
private void ReverseHex()
{
int copyIdx = 0;
byte[] time = new byte[4];
Array.Copy(Hex, copyIdx, time, 0, 4);
Array.Reverse(time);
this.Timestamp = BitConverter.ToInt32(time, 0);
copyIdx += 4;
byte[] mid = new byte[4];
Array.Copy(Hex, copyIdx, mid, 0, 3);
this.Machine = BitConverter.ToInt32(mid, 0);
copyIdx += 3;
byte[] pids = new byte[4];
Array.Copy(Hex, copyIdx, pids, 0, 2);
Array.Reverse(pids);
this.ProcessId = BitConverter.ToInt32(pids, 0);
copyIdx += 2;
byte[] inc = new byte[4];
Array.Copy(Hex, copyIdx, inc, 0, 3);
Array.Reverse(inc);
this.Increment = BitConverter.ToInt32(inc, 0);
}
public static ObjectId NewId() => factory.NewId();
public int CompareTo(ObjectId other)
{
if (other is null)
return 1;
for (int i = 0; i < Hex.Length; i++)
{
if (Hex[i] < other.Hex[i])
return -1;
else if (Hex[i] > other.Hex[i])
return 1;
}
return 0;
}
public bool Equals(ObjectId other) => CompareTo(other) == 0;
public static bool operator <(ObjectId a, ObjectId b) => a.CompareTo(b) < 0;
public static bool operator <=(ObjectId a, ObjectId b) => a.CompareTo(b) <= 0;
public static bool operator ==(ObjectId a, ObjectId b) => a.Equals(b);
public override bool Equals(object obj) => base.Equals(obj);
public static bool operator !=(ObjectId a, ObjectId b) => !(a == b);
public static bool operator >=(ObjectId a, ObjectId b) => a.CompareTo(b) >= 0;
public static bool operator >(ObjectId a, ObjectId b) => a.CompareTo(b) > 0;
public static implicit operator string(ObjectId objectId) => objectId.ToString();
public static implicit operator ObjectId(string objectId) => new ObjectId(objectId);
public static ObjectId Empty { get { return new ObjectId("000000000000000000000000"); } }
public byte[] Hex { get; private set; }
public int Timestamp { get; private set; }
public int Machine { get; private set; }
public int ProcessId { get; private set; }
public int Increment { get; private set; }
}
ObjectId 的代码量看起来稍微多一些，但是实际上，核心的实现方法就只有 ReverseHex() 方法，该方法在内部反向了 ObjectIdFactory.NewId() 的过程，使得调用者可以通过调用 ObjectId.Timestamp 等公开属性反向追溯 Oid 的生产过程。
其它的对象比较、到 string/ObjectId 的隐式转换，则是一些语法糖式的工作，都是为了提高编码效率的。
需要注意的是，在类 ObjectId 的内部，创建了静态对象 ObjectIdFactory，我们还记得在 ObjectIdFactory 的构造函数内部的初始化工作，这里创建的静态对象，也是为了提高生产效率的设计。
调用示例
在完成了代码改造后，我们就可以对改造后的代码进行调用测试，以验证程序的正确性。
NewId
我们尝试生产一组 Oid 看看效果。
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
var oid = ObjectId.NewId();
Console.WriteLine(oid);
}
输出
通过上图可以看到，输出的这部分 Oid 都是有序的，这应该也可以成为替换 GUID/UUID 的一个理由。
生产/解包
var sourceId = ObjectId.NewId();
var reverseId = new ObjectId(sourceId);
通过解包可以看出，上图两个红框内的值是一致的，解包成功！
隐式转换
var sourceId = ObjectId.NewId();
// 转换为 string
var stringId = sourceId;
string userId= ObjectId.NewId();
// 转换为 ObjectId
ObjectId id = stringId;
隐式转换可以提高编码效率哟！
结束语
通过上面的代码实现，融入了一些自己的需求。现在，可以通过解包来实现业务的追踪和日志的排查，在某些场景下，是非常有帮助的，增加的隐式转换语法糖，也可以让编码效率得到提高；同时将代码优化到 .NETCore 3.1，也使用了一些 C# 的语法糖。