应用实践｜基于Python手把手教你实现雪花算法

作者简介：「六月暴雪飞梨花」，专注于研究Java，就职于科技型公司后端工程师
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概述

分布式策略ID的主要应用在互联网网站、搜索引擎、社交媒体、在线购物、金融、大数据处理、日志场景中，这些应用需要支持大量的并发请求和用户访问，分布式ID策略可以通过请求分发到不同的服务器节点来做计算，以提高服务的响应速度和可用性。
常见的分布式ID生成策略：
● UUID（Universally Unique Identifier）
● 雪花算法（Snowflake）
● Redis原子自增
● 基于数据库的自增主键（有些数据库不支持自增主键）
● 取当前毫秒数
本文主要简单介绍下雪花ID算法（Snowflake）的Python语言的计算方法。

雪花算法（Snowflake）是 Twitter 开源的分布式ID生成算法。雪花ID，或称雪花，是分布式计算中使用的唯一标识符的一种形式。该格式由Twitter创建，用于推文的ID。人们普遍认为，每片雪花都有唯一的结构，因此他们取了“雪花ID”这个名字。在当时Twitter的团队从MySQL转向Cassandra时，需要一种新的方法来生成ID号，而Cassandra中没有顺序ID生成工具，所以，应运而生雪花ID出现了。

雪花算法的相关知识可以参考Github：https://github.com/twitter-archive/snowflake/tree/b3f6a3c6ca8e1b6847baa6ff42bf72201e2c2231

什么是雪花ID

根据官方的介绍，雪花ID是由Twitter团队开发的一种分布式ID生成算法，它的设计目标是在分布式系统中生成唯一ID，具备趋势递增、高性能、可扩展等特点。其实雪花ID生成的唯一ID是由64位二进制数组成，结果是一个long型的ID。可以分解为四个部分：
● 1 符号位：符号位，也就是最高位，始终是0，没有任何意义，因为要是唯一计算机二进制补码中就是负数，0才是正数。
● 2 时间戳：占用41位，记录生成ID的时间戳，精确到毫秒级。
● 3 机器标识：占用10位，用于标识不同的机器。
● 4 计数序列号：占用12位，用于解决同一毫秒内生成多个ID的冲突。
Snowflake ID的结构可以用二进制格式表示如下：

0 1                                       41     51         64
+-----------------------------------------+------+-----------+
|0|timestamp (milliseconds since epoch)   |worker| sequence  |
+-----------------------------------------+------+-----------+

Snowflake ID的结构可以用图表示如下：

代码演示步骤

1 引入依赖库

使用Python标准库中的time模块来获取当前时间戳，并使用random模块来生成随机worker_id和data_center_id。

import time  
import random  

2 初始化参数

此处我们定义一个类Snowflake类，提前初始化机器标识ID、数据中心ID、计数序列号、时间戳。

    def __init__(self, worker_id, data_center_id):  
        ### 机器标识ID
        self.worker_id = worker_id  
        ### 数据中心ID
        self.data_center_id = data_center_id  
        ### 计数序列号
        self.sequence = 0  
        ### 时间戳
        self.last_timestamp = -1  

3 定义并实现

这是最重要的一个步骤，我们来实现一个生成ID的方法，这个方法根据雪花算法的规则生成唯一ID，具体的实现过程包括获取当前时间戳、判断是否为同一毫秒、更新序列号等。在next_id()方法中，我们首先获取当前时间戳，并检查是否比上一次生成ID的时间戳小。
（1）如果是，则抛出异常，因为这表示时钟回退。
（2）如果时间戳相同，则递增序列号，如果序列号达到最大值4095，则等待下一毫秒。如果时间戳不同，则重置序列号为0。
（3）最后，我们将生成的ID返回。
具体代码如下所示：

    def next_id(self):  
        timestamp = int(time.time() * 1000)  
        if timestamp < self.last_timestamp:  
            raise Exception("Clock moved backwards. Refusing to generate id for %d milliseconds" % abs(timestamp - self.last_timestamp))  
        if timestamp == self.last_timestamp:  
            self.sequence = (self.sequence + 1) & 4095  
            if self.sequence == 0:  
                timestamp = self.wait_for_next_millis(self.last_timestamp)  
        else:  
            self.sequence = 0  
        self.last_timestamp = timestamp  
        return ((timestamp - 1288834974657) << 22) | (self.data_center_id << 17) | (self.worker_id << 12) | self.sequence  

注意⚠️：由于时间戳是以毫秒为单位的，所以每毫秒最多可以生成4096个ID。如果ID生成器的负载较高，可能会在同一毫秒内多次调用next_id()方法，导致序列号耗尽。为了避免这种情况，我们在等待下一毫秒时检查时间戳是否小于上一次生成ID的时间戳。如果是，则抛出异常，因为这表示时钟回退。

4 测试代码

在测试代码中，我们使用一个循环来生成10个唯一的ID，并打印出来。如果时钟回退，则会抛出一个异常并打印错误信息。

if __name__ == '__main__':  
    worker_id = 1  
    data_center_id = 1  
    snowflake = Snowflake(worker_id, data_center_id)  
    for i in range(10):  
        try:  
            print(snowflake.next_id())  
        except Exception as e:  
            print("Clock moved backwards:", e)

5 异常处理

通过上面几步我们已经实现了雪花ID的核心代码工作，但是为了确保算法的正确性和程序的严谨性，我们需要处理错误和边界情况，比如当同一毫秒内生成的ID超过序列号的最大值时，需要等待下一毫秒再生成。具体代码如下所示：

    def wait_for_next_millis(self, last_timestamp):  
        timestamp = int(time.time() * 1000)  
        while timestamp <= last_timestamp:  
            timestamp = int(time.time() * 1000)  
        return timestamp  

完整代码示例

接下来就来整合一下上面的分解步骤，这里将展示一个完整的Python语言代码示例，后面会展示运行的最终结果。示例代码将按照上面的步骤来实现雪花算法，并输出生成的唯一ID，下面就是完整的示例代码：

import time  
import random  
  
class Snowflake:  
    def __init__(self, worker_id, data_center_id):  
        ### 机器标识ID
        self.worker_id = worker_id  
        ### 数据中心ID
        self.data_center_id = data_center_id  
        ### 计数序列号
        self.sequence = 0  
        ### 时间戳
        self.last_timestamp = -1  
  
    def next_id(self):  
        timestamp = int(time.time() * 1000)  
        if timestamp < self.last_timestamp:  
            raise Exception("Clock moved backwards. Refusing to generate id for %d milliseconds" % abs(timestamp - self.last_timestamp))  
        if timestamp == self.last_timestamp:  
            self.sequence = (self.sequence + 1) & 4095  
            if self.sequence == 0:  
                timestamp = self.wait_for_next_millis(self.last_timestamp)  
        else:  
            self.sequence = 0  
        self.last_timestamp = timestamp  
        return ((timestamp - 1288834974657) << 22) | (self.data_center_id << 17) | (self.worker_id << 12) | self.sequence  
  
    def wait_for_next_millis(self, last_timestamp):  
        timestamp = int(time.time() * 1000)  
        while timestamp <= last_timestamp:  
            timestamp = int(time.time() * 1000)  
        return timestamp  

### test
if __name__ == '__main__':  
    worker_id = 1  
    data_center_id = 1  
    snowflake = Snowflake(worker_id, data_center_id)  
    for i in range(10):  
        try:  
            print(snowflake.next_id())  
        except Exception as e:  
            print("Clock moved backwards:", e)

运行结果演示

通过上面完整示例代码运行之后，可以得到下面的运行结果，即输出生成的唯一ID。具体的运行结果如下所示：

[Running] python -u "/Users/Aion/WorkSpace/PythonSpace/Snowflow/Snowflow.py"
1742096523036069888
1742096523036069889
1742096523036069890
1742096523036069891
1742096523036069892
1742096523036069893
1742096523036069894
1742096523036069895
1742096523036069896
1742096523036069897

[Done] exited with code=0 in 0.057 seconds

问题分析

(1)第一位为什么不使用

在计算机的表示中，第一位是符号位，0表示整数，第一位如果是1则表示负数，我们用的ID默认就是正数，所以默认就是0，那么这一位默认就没有意义。

(2)机器位怎么用

机器位或者机房位，一共10 bit，如果全部表示机器，那么可以表示1024台机器，如果拆分，5 bit 表示机房，5bit表示机房里面的机器，那么可以有32个机房，每个机房可以用32台机器。

(3)时间戳比较

在获取时间戳小于上一次获取的时间戳的时候，不能生成ID，而是继续循环，直到生成可用的ID，这里没有使用拓展位防止时钟回拨。

结束语

其实对于分布式ID的生成策略。无论是我们上述提到的哪一种。无非需要具有以下两种特点：分布式、唯一。通过本文，可以快速了解雪花ID（雪花算法，SnowFlake），SnowFlake的优点是：
（1）单机上整体自增，集群上整体自增，整体上按照时间自增排序，并且整个分布式系统内不会产生ID碰撞；
（2）效率较高，经测试，SnowFlake每秒能够产生26万ID左右。
（3）强依赖性，依赖与系统时间的一致性，如果系统时间被回调，或者改变，可能会造成id冲突或者重复。
希望本文能帮助您理解雪花算法的实现过程，也希望能够为您在分布式系统开发中提供一些使用帮助。

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