UidGenerator

UidGenerator是什么

UidGenerator是百度开源的一款分布式高性能的唯一ID生成器，更详细的情况可以查看github:uid-generator，里面有更详细的介绍文档说明，其也是基于snowflake模型的一种ID生成器，我们再来回顾以下雪花模型。

Snowflake算法描述：指定机器 & 同一时刻 & 某一并发序列，是唯一的。据此可生成一个64 bits的唯一ID（long）。默认采用上图字节分配方式：

sign(1bit)
固定1bit符号标识，即生成的UID为正数。

delta seconds (28 bits)
当前时间，相对于时间基点"2016-05-20"的增量值，单位：秒，最多可支持约8.7年

worker id (22 bits)
机器id，最多可支持约420w次机器启动。内置实现为在启动时由数据库分配，默认分配策略为用后即弃，后续可提供复用策略。

sequence (13 bits)
每秒下的并发序列，13 bits可支持每秒8192个并发。

这些字段的长度可以根据具体的应用需要进行动态的调整，满足总长度为64位即可
百度的worker id的生成策略和美团的生成策略不太一样，美团的snowflake主要利用本地配置的port和IP来唯一确定一个workid，美团的这种生成方式还是可以由于手工配置错误造成port重复，最终产生重复ID的风险，百度的这种生成方式每次都是新增的，可能会一段时间后worker id用完的情况，人工配置错误的可能性很小了。

DefaultUidGenerator

nextId方法主要负责ID的生成，这种实现方式很简单，如果毫秒数未发生变化，在序列号加一即可，毫秒数发生变化，重置Sequence为0（Leaf文章中讲过，重置为0会造成如果利用这个ID分表的时候，并发量不大的时候，sequence字段会一直为0等，会出现数据倾斜）

 protected synchronized long nextId() {
        long currentSecond = getCurrentSecond();

        // Clock moved backwards, refuse to generate uid
        if (currentSecond < lastSecond) {
            long refusedSeconds = lastSecond - currentSecond;
            throw new UidGenerateException("Clock moved backwards. Refusing for %d seconds", refusedSeconds);
        }

        // At the same second, increase sequence
        if (currentSecond == lastSecond) {
            sequence = (sequence + 1) & bitsAllocator.getMaxSequence();
            // Exceed the max sequence, we wait the next second to generate uid
            if (sequence == 0) {
                currentSecond = getNextSecond(lastSecond);
            }

        // At the different second, sequence restart from zero
        } else {
            sequence = 0L;
        }

        lastSecond = currentSecond;

        // Allocate bits for UID
        return bitsAllocator.allocate(currentSecond - epochSeconds, workerId, sequence);
    }

CachedUidGenerator

正如名字体现的那样，这是一种缓存型的ID生成方式，当剩余ID不足的时候，会异步的方式重新生成一批ID缓存起来，后续请求的时候直接的时候直接返回现成的ID即可。
我们来看一下这种方式下几个重要的数据结构，采用了RingBuffer的方式来缓存相关UID信息。
Tail: 指向当前最后一个可用的UID位置
Cursor: 指向下一个获取UID的位置，其一定是小于Tail
Tail - Cursor表示的是现在可用的UID数量，当可用UID数量小于一定阈值的时候会重新添加一批新的UID在RingBuffer中。

代码层面的优化
代码中通过字节的填充，来避免伪共享的产生。

多核处理器处理相互独立的变量时，一旦这些变量处于同一个缓存行，不同变量的操作均会造成这一个缓存行失效，影响缓存的实际效果，造成很大的缓存失效的性能问题。下面图中线程处理不同的两个变量，但这两个变量的修改都会造成整个整个缓存行的失效，导致无效的加载、失效，出现了伪共享的问题

RingBuffer中通过定义一个PaddedAtomicLong来独占一个缓存行，代码中的实现填充可能需要根据具体的执行系统做一些调整，保证其独占一个缓存行即可。
下面我们来看下如何获取相关的UID

public long take() {
        // spin get next available cursor
        long currentCursor = cursor.get();
        long nextCursor = cursor.updateAndGet(old -> old == tail.get() ? old : old + 1);

        // check for safety consideration, it never occurs
        Assert.isTrue(nextCursor >= currentCursor, "Curosr can't move back");

        // trigger padding in an async-mode if reach the threshold
        long currentTail = tail.get();
        if (currentTail - nextCursor < paddingThreshold) {
            LOGGER.info("Reach the padding threshold:{}. tail:{}, cursor:{}, rest:{}", paddingThreshold, currentTail,
                    nextCursor, currentTail - nextCursor);
            bufferPaddingExecutor.asyncPadding();
        }

        // cursor catch the tail, means that there is no more available UID to take
        if (nextCursor == currentCursor) {
            rejectedTakeHandler.rejectTakeBuffer(this);
        }

        // 1. check next slot flag is CAN_TAKE_FLAG
        int nextCursorIndex = calSlotIndex(nextCursor);
        Assert.isTrue(flags[nextCursorIndex].get() == CAN_TAKE_FLAG, "Curosr not in can take status");

        // 2. get UID from next slot
        // 3. set next slot flag as CAN_PUT_FLAG.
        long uid = slots[nextCursorIndex];
        flags[nextCursorIndex].set(CAN_PUT_FLAG);

        // Note that: Step 2,3 can not swap. If we set flag before get value of slot, the producer may overwrite the
        // slot with a new UID, and this may cause the consumer take the UID twice after walk a round the ring
        return uid;
    }

1. 通过AtomicLong.updateAndGet来避免对整个方法进行加锁，获取一个可以访问的UID的游标值，根据这个下标获取slots中相关的uid直接返回
2. 缓存中可用的uid(Tail - Cursor)小于一定阈值的时候，需要启动另外一个线程来生成一批UID

UID 的生成

public synchronized boolean put(long uid) {
        long currentTail = tail.get();
        long currentCursor = cursor.get();

        // tail catches the cursor, means that you can't put any cause of RingBuffer is full
        long distance = currentTail - (currentCursor == START_POINT ? 0 : currentCursor);
        if (distance == bufferSize - 1) {
            rejectedPutHandler.rejectPutBuffer(this, uid);
            return false;
        }

        // 1. pre-check whether the flag is CAN_PUT_FLAG
        int nextTailIndex = calSlotIndex(currentTail + 1);
        if (flags[nextTailIndex].get() != CAN_PUT_FLAG) {
            rejectedPutHandler.rejectPutBuffer(this, uid);
            return false;
        }

        // 2. put UID in the next slot
        // 3. update next slot' flag to CAN_TAKE_FLAG
        // 4. publish tail with sequence increase by one
        slots[nextTailIndex] = uid;
        flags[nextTailIndex].set(CAN_TAKE_FLAG);
        tail.incrementAndGet();

        // The atomicity of operations above, guarantees by 'synchronized'. In another word,
        // the take operation can't consume the UID we just put, until the tail is published(tail.incrementAndGet())
        return true;
    }

1. 获取Tail的下标值，如果缓存区满的话直接调用RejectedPutHandler.rejectPutBuffer方法
2. 未满的话将UID放置在slots数组相应的位置上，同时将Flags数组相应的位置改为CAN_TAKE_FLAG

CachedUidGenerator通过缓存的方式预先生成一批UID列表，可以解决UID获取时候的耗时，但这种方式也有不好点，一方面需要耗费内存来缓存这部分数据，另外如果访问量不大的情况下，提前生成的UID中的时间戳可能是很早之前的，DefaultUidGenerator应该在大部分的场景中就可以满足相关的需求了。