.Net 雪花算法 SnowFlake

twitter的雪花算法一般用于生成分布式ID,订单编号，按时间递增的唯一ID等

算法描述：

第一位：为未使用 0 也表示为正数
第二部分：41位为毫秒级时间(41位的长度可以使用69年) 每次要生成一个新 ID 的时候，都会获取一下当前的 Timestamp, 然后分两种情况生成 sequence number；
第三部分：5位datacenterId和5位workerId(10位的长度最多支持部署1024个节点/机器）
第四部分：最后12位是毫秒内的计数（12位的计数顺序号支持每个节点每毫秒产生4096个ID序号）
如果当前的 Timestamp 和前一个已生成 ID 的 Timestamp 相同 (在同一毫秒中)，就用前一个 ID 的 sequence number + 1 作为新的 sequence number (12 bits); 如果本毫秒内的所有 ID 用完，等到下一毫秒继续 (这个等待过程中, 不能分配出新的 ID)；如果当前的 Timestamp 比前一个 ID 的 Timestamp 大, 随机生成一个初始 sequence number (12bits) 作为本毫秒内的第一个 sequence number；

最后拼接起来为一个64位ID (42(毫秒)+5(机器ID)+5(业务编码)+12(重复累加))

优点：snowflake生成的ID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（由datacenter[服务ID 1，2，3….. 每个服务中写死]和workerId[机器ID 读取机器的环境变量MACHINEID 部署时每台服务器ID不一样]作区分），
并且效率较高。经测试snowflake每秒能够产生26万个ID。

缺点：如果当前时间小于记录的上一个毫秒值，则说明这台机器的时间回拨了，抛出异常。但如果这台机器的系统时间在启动之前回拨过，那么有可能出现ID重复的危险。
也就是说snowflake依赖于系统时钟的一致性。如果某台机器的系统时钟回拨，有可能造成ID冲突，或者ID乱序。
但是，我们也有办法去解决时间回拨的问题（通过重新划分64位的划分，如后面12位，我们业务上不需要每毫秒4096个ID序号，就可以划分10+2位，后面的2位作为扩展位，前面的10位保证1024个ID序号，当发生回拨的时候，使用该扩展位，详细实现方式在将来的另一篇笔记进行说明，本次只做最基本的实现）

代码说明：
亦可直接去 nuget 搜索 Snowflake.Net 进行引用直接实现

Snowflake snowflake = new Snowflake(1, 1);
long id = snowflake.GetId();

public class Snowflake
{
    private static long machineId;//机器ID
    private static long datacenterId = 0L;//数据ID
    private static long sequence = 0L;//计数从零开始

    private static long twepoch = 687888001020L; //唯一时间随机量，时间起始标记点，作为基准，一般取系统的最近时间（一旦确定不能变动）

    private static long machineIdBits = 5L; //机器码字节数
    private static long datacenterIdBits = 5L;//数据字节数
    public static long maxMachineId = -1L ^ -1L << (int)machineIdBits; //最大机器ID
    private static long maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << (int)datacenterIdBits);//最大数据ID

    private static long sequenceBits = 12L; //计数器字节数，12个字节用来保存计数码        
    private static long machineIdShift = sequenceBits; //机器码数据左移位数，就是后面计数器占用的位数
    private static long datacenterIdShift = sequenceBits + machineIdBits;
    private static long timestampLeftShift = sequenceBits + machineIdBits + datacenterIdBits; //时间戳左移动位数就是机器码+计数器总字节数+数据字节数
    public static long sequenceMask = -1L ^ -1L << (int)sequenceBits; //一微秒内可以产生计数，如果达到该值则等到下一微妙在进行生成
    private static long lastTimestamp = -1L;//最后时间戳

    private static object syncRoot = new object();//加锁对象
    static Snowflake snowflake;

    public static Snowflake Instance()
    {
        if (snowflake == null)
            snowflake = new Snowflake();
        return snowflake;
    }

    public Snowflake()
    {
        Snowflakes(0L, -1);
    }

    public Snowflake(long machineId)
    {
        Snowflakes(machineId, -1);
    }

    public Snowflake(long machineId, long datacenterId)
    {
        Snowflakes(machineId, datacenterId);
    }

    private void Snowflakes(long machineId, long datacenterId)
    {
        if (machineId >= 0)
        {
            if (machineId > maxMachineId)
            {
                throw new Exception("机器码ID非法");
            }
            Snowflake.machineId = machineId;
        }
        if (datacenterId >= 0)
        {
            if (datacenterId > maxDatacenterId)
            {
                throw new Exception("数据中心ID非法");
            }
            Snowflake.datacenterId = datacenterId;
        }
    }

    // 生成当前时间戳(毫秒)
    private static long GetTimestamp()
    {
        return (long)(DateTime.UtcNow - new DateTime(1970, 1, 1, 0, 0, 0, DateTimeKind.Utc)).TotalMilliseconds;
    }

    /// 

    /// 获取下一微秒时间戳
    /// 
    /// 
    /// 
    private static long GetNextTimestamp(long lastTimestamp)
    {
        long timestamp = GetTimestamp();
        if (timestamp <= lastTimestamp)
        {
            timestamp = GetTimestamp();
        }
        return timestamp;
    }

    // 获取长整型的ID
    public long GetId()
    {
        lock (syncRoot)
        {
            long timestamp = GetTimestamp();
            if (Snowflake.lastTimestamp == timestamp)
            { //同一微妙中生成ID
                sequence = (sequence + 1) & sequenceMask; //用&运算计算该微秒内产生的计数是否已经到达上限
                if (sequence == 0)
                {
                    //一微妙内产生的ID计数已达上限，等待下一微妙
                    timestamp = GetNextTimestamp(lastTimestamp);
                }
            }
            else
            {
                //不同微秒生成ID
                sequence = 0L;
            }
            if (timestamp < lastTimestamp)
            {
                throw new Exception("时间戳比上一次生成ID时时间戳还小，故异常");
            }
            Snowflake.lastTimestamp = timestamp; //把当前时间戳保存为最后生成ID的时间戳
            long Id = ((timestamp - twepoch) << (int)timestampLeftShift)
                | (datacenterId << (int)datacenterIdShift)
                | (machineId << (int)machineIdShift)
                | sequence;
            return Id;
        }
    }
}