using System.Diagnostics;
using NewLife.Caching;
using NewLife.Log;
using NewLife.Model;
using NewLife.Security;
namespace NewLife.Data;
/// <summary>雪花算法。分布式Id，业务内必须确保单例</summary>
/// <remarks>
/// 文档 https://newlifex.com/core/snow_flake
///
/// 使用一个 64 bit 的 long 型的数字作为全局唯一 id。在分布式系统中的应用十分广泛，且ID 引入了时间戳，基本上保持自增。
/// 1bit保留 + 41bit时间戳 + 10bit机器 + 12bit序列号
///
/// 内置自动选择机器workerId，IP+进程+线程，无法绝对保证唯一，从而导致整体生成的雪花Id有一定几率重复。
/// 如果想要绝对唯一，建议在外部设置唯一的workerId，再结合单例使用，此时确保最终生成的Id绝对不重复！
/// 高要求场合，推荐使用Redis自增序数作为workerId，在大型分布式系统中亦能保证绝对唯一。
/// 已提供JoinCluster方法，用于把当前对象加入集群，确保workerId唯一。
///
/// 务必请保证Snowflake对象的唯一性，Snowflake确保本对象生成的Id绝对唯一，但如果有多个Snowflake对象，可能会生成重复Id。
/// 特别在使用XCode等数据中间件时，要确保每张表只有一个Snowflake实例。
/// </remarks>
public class Snowflake
{
#region 属性
/// <summary>开始时间戳。首次使用前设置，否则无效，默认1970-1-1</summary>
/// <remarks>
/// 该时间戳默认已带有时区偏移，不管是为本地时间还是UTC时间生成雪花Id，都是一样的时间大小。
/// 默认值本质上就是UTC 1970-1-1，转本地时间是为了方便解析雪花Id时得到的时间就是本地时间，最大兼容已有业务。
/// 在星尘和IoT的自动分表场景中，一般需要用本地时间来作为分表依据，所以默认值是本地时间。
/// </remarks>
public DateTime StartTimestamp { get; set; } = new DateTime(1970, 1, 1, 0, 0, 0, DateTimeKind.Utc).ToLocalTime();
/// <summary>机器Id，取10位</summary>
/// <remarks>
/// 内置默认取IP+进程+线程，不能保证绝对唯一，要求高的场合建议外部保证workerId唯一。
/// 一般借助Redis自增序数作为workerId，确保绝对唯一。
/// 如果应用接入星尘，将自动从星尘配置中心获取workerId，确保全局唯一。
/// </remarks>
public Int32 WorkerId { get; set; }
private Int32 _Sequence;
/// <summary>序列号，取12位。进程内静态，避免多个实例生成重复Id</summary>
public Int32 Sequence => _Sequence;
/// <summary>全局机器Id。若设置，所有雪花实例都将使用该Id，可以由星尘配置中心提供本应用全局唯一机器码，且跨多环境唯一</summary>
public static Int32 GlobalWorkerId { get; set; }
/// <summary>workerId分配集群。配置后可确保所有实例化的雪花对象得到唯一workerId，建议使用Redis</summary>
public static ICache? Cluster { get; set; }
//private Int64 _msStart;
//private Stopwatch _watch = null!;
private Int64 _lastTime;
#endregion
#region 构造
private static Int32 _gid;
private static readonly Int32 _instance;
static Snowflake()
{
try
{
// 从容器中获取缓存提供者，查找Redis作为集群WorkerId分配器
var provider = ObjectContainer.Provider?.GetService<ICacheProvider>();
if (provider != null && provider.Cache != provider.InnerCache && provider.Cache is not MemoryCache)
Cluster = provider.Cache;
var ip = NetHelper.MyIP();
var buf = ip.GetAddressBytes();
_instance = (buf[2] << 8) | buf[3];
}
catch
{
// 异常时随机
_instance = Rand.Next(1, 1024);
}
}
#endregion
#region 核心方法
private Boolean _inited;
private void Init()
{
if (_inited) return;
lock (this)
{
if (_inited) return;
// 记录雪花算法初始化埋点，及时发现算法使用错误
using var span = DefaultTracer.Instance?.NewSpan("Snowflake-Init", new { id = Interlocked.Increment(ref _gid) });
if (WorkerId <= 0 && GlobalWorkerId > 0) WorkerId = GlobalWorkerId & 0x3FF;
if (WorkerId <= 0 && Cluster != null) JoinCluster(Cluster);
// 初始化WorkerId，取5位实例加上5位进程，确保同一台机器的WorkerId不同
if (WorkerId <= 0)
{
var nodeId = _instance;
var pid = Process.GetCurrentProcess().Id;
var tid = Thread.CurrentThread.ManagedThreadId;
//WorkerId = ((nodeId & 0x1F) << 5) | (pid & 0x1F);
//WorkerId = (nodeId ^ pid ^ tid) & 0x3FF;
WorkerId = ((nodeId & 0x1F) << 5) | ((pid ^ tid) & 0x1F);
}
//// 记录此时距离起点的毫秒数以及开机嘀嗒数
//if (_watch == null)
//{
// var now = ConvertKind(DateTime.Now);
// _msStart = (Int64)(now - StartTimestamp).TotalMilliseconds;
// _watch = Stopwatch.StartNew();
//}
//span?.AppendTag($"WorkerId={WorkerId} StartTimestamp={StartTimestamp.ToFullString()} _msStart={_msStart}");
span?.AppendTag($"WorkerId={WorkerId} StartTimestamp={StartTimestamp.ToFullString()}");
_inited = true;
}
}
/// <summary>获取下一个Id</summary>
/// <remarks>基于当前时间，转StartTimestamp所属时区后，生成Id</remarks>
/// <returns></returns>
public virtual Int64 NewId()
{
Init();
// 此时嘀嗒数减去起点嘀嗒数，加上起点毫秒数
var ms = (Int64)(ConvertKind(DateTime.Now) - StartTimestamp).TotalMilliseconds;
//var ms = _watch.ElapsedMilliseconds + _msStart;
var wid = WorkerId & (-1 ^ (-1 << 10));
var origin = _lastTime;
//!!! 避免时间倒退
if (ms < origin)
{
var t = origin - ms;
// 在夏令时地区，时间可能回拨1个小时
if (t > 3600_000 + 10_000) throw new InvalidOperationException($"Time reversal too large ({t}ms). To ensure uniqueness, Snowflake refuses to generate a new Id");
// 暂时使用上次时间，即未来时间
ms = origin;
}
// 核心理念：时间不同时序号置零，时间相同时序号递增
var seq = 0;
lock (this)
{
while (true)
{
if (ms > _lastTime)
{
_Sequence = 0;
_lastTime = ms;
seq = 0;
break;
}
else
{
ms = _lastTime;
seq = Interlocked.Increment(ref _Sequence);
if (seq < 4096) break;
ms++;
_Sequence = 0;
}
}
}
//var seq = 0;
//while (true)
//{
// if (ms > origin)
// {
// lock (this)
// {
// origin = Volatile.Read(ref _lastTime);
// if (ms > origin)
// {
// Volatile.Write(ref _Sequence, 0);
// // 1，空闲时走这里。跟上次时间不同，抢夺当前坑位（序号0）。每毫秒只有1次机会
// if (Interlocked.CompareExchange(ref _lastTime, ms, origin) == origin)
// {
// seq = 0;
// break;
// }
// // 抢夺失败，必须用新的时间，原来时间已经错过，无法得到唯一序号
// origin = Volatile.Read(ref _lastTime);
// //ms = origin;
// }
// ms = origin;
// }
// }
// // 2，繁忙时走这里。时间相同，递增序列号，较小序列号直接采用。每毫秒有4095次机会
// seq = Interlocked.Increment(ref _Sequence);
// if (seq < 4096) break;
// // 3，极度繁忙时走这里。4096之外的“幸运儿”集体加锁，重置序列号和时间，准备再来抢一次。很少业务会走到这里，只可能是积压数据冲击
// origin = Volatile.Read(ref _lastTime);
// if (ms == origin)
// {
// lock (this)
// {
// origin = Volatile.Read(ref _lastTime);
// if (ms == origin)
// {
// // 时间不允许后退，否则可能生成重复Id。算法在每毫秒上生成4096个Id，等待被回拨的时间追上
// //origin = Volatile.Read(ref _lastTime);
// ms++;
// }
// else
// {
// XTrace.WriteLine("ms.notEqual2 ms={0}, origin={1}", ms, origin);
// ms = origin;
// }
// }
// }
// else
// {
// XTrace.WriteLine("ms.notEqual1 ms={0}, origin={1}", ms, origin);
// ms = origin;
// }
//}
seq &= (-1 ^ (-1 << 12));
return (ms << (10 + 12)) | (Int64)(wid << 12) | (Int64)seq;
}
/// <summary>获取指定时间的Id，带上节点和序列号。可用于根据业务时间构造插入Id</summary>
/// <remarks>
/// 基于指定时间，转StartTimestamp所属时区后，生成Id。
///
/// 如果为指定毫秒时间生成多个Id（超过4096），则可能重复。
/// </remarks>
/// <param name="time">时间</param>
/// <returns></returns>
public virtual Int64 NewId(DateTime time)
{
Init();
time = ConvertKind(time);
var ms = (Int64)(time - StartTimestamp).TotalMilliseconds;
var wid = WorkerId & (-1 ^ (-1 << 10));
var seq = Interlocked.Increment(ref _Sequence) & (-1 ^ (-1 << 12));
return (ms << (10 + 12)) | (Int64)(wid << 12) | (Int64)seq;
}
/// <summary>获取指定时间的Id，传入唯一业务id（取模为10位）。可用于物联网数据采集，每1024个传感器为一组，每组每毫秒多个Id</summary>
/// <remarks>
/// 基于指定时间，转StartTimestamp所属时区后，生成Id。
///
/// 在物联网数据采集中，数据分析需要，更多希望能够按照采集时间去存储。
/// 为了避免主键重复，可以使用传感器id作为workerId。
/// uid需要取模为10位，即按1024分组，每组每毫秒最多生成4096个Id。
///
/// 如果为指定分组在特定毫秒时间生成多个Id（超过4096），则可能重复。
/// </remarks>
/// <param name="time">时间</param>
/// <param name="uid">唯一业务id。例如传感器id</param>
/// <returns></returns>
public virtual Int64 NewId(DateTime time, Int32 uid)
{
Init();
time = ConvertKind(time);
// 业务id作为workerId，保留12位序列号。即传感器按1024分组，每组每毫秒最多生成4096个Id
var ms = (Int64)(time - StartTimestamp).TotalMilliseconds;
var wid = uid & (-1 ^ (-1 << 10));
var seq = Interlocked.Increment(ref _Sequence) & (-1 ^ (-1 << 12));
return (ms << (10 + 12)) | (Int64)(wid << 12) | (Int64)seq;
}
/// <summary>获取指定时间的Id，传入唯一业务id（22位）。可用于物联网数据采集，每4194304个传感器一组，每组每毫秒1个Id</summary>
/// <remarks>
/// 基于指定时间，转StartTimestamp所属时区后，生成Id。
///
/// 在物联网数据采集中，数据分析需要，更多希望能够按照采集时间去存储。
/// 为了避免主键重复，可以使用传感器id作为workerId。
/// 再配合upsert写入数据，如果同一个毫秒内传感器有多行数据，则只会插入一行。
///
/// 如果为指定业务id在特定毫秒时间生成多个Id（超过1个），则可能重复。
/// </remarks>
/// <param name="time">时间</param>
/// <param name="uid">唯一业务id。例如传感器id</param>
/// <returns></returns>
public virtual Int64 NewId22(DateTime time, Int32 uid)
{
Init();
time = ConvertKind(time);
// 业务id作为workerId，不保留序列号。即传感器按4194304（1<<22）分组，每组每毫秒最多生成1个Id
var ms = (Int64)(time - StartTimestamp).TotalMilliseconds;
var wid = uid & (-1 ^ (-1 << 22));
return (ms << (10 + 12)) | (Int64)wid;
}
/// <summary>时间转为Id，不带节点和序列号。可用于构建时间片段查询</summary>
/// <remarks>
/// 基于指定时间，转StartTimestamp所属时区后，生成不带WorkerId和序列号的Id。
/// 一般用于构建时间片段查询，例如查询某个时间段内的数据，把时间片段转为雪花Id片段。
/// </remarks>
/// <param name="time">时间</param>
/// <returns></returns>
public virtual Int64 GetId(DateTime time)
{
time = ConvertKind(time);
var t = (Int64)(time - StartTimestamp).TotalMilliseconds;
return t << (10 + 12);
}
/// <summary>解析雪花Id，得到时间、WorkerId和序列号</summary>
/// <remarks>
/// 其中的时间是StartTimestamp所属时区的时间。
/// </remarks>
/// <param name="id"></param>
/// <param name="time">时间</param>
/// <param name="workerId">节点</param>
/// <param name="sequence">序列号</param>
/// <returns></returns>
public virtual Boolean TryParse(Int64 id, out DateTime time, out Int32 workerId, out Int32 sequence)
{
time = StartTimestamp.AddMilliseconds(id >> (10 + 12));
workerId = (Int32)((id >> 12) & 0x3FF);
sequence = (Int32)(id & 0x0FFF);
return true;
}
/// <summary>把输入时间转为开始时间戳的类型，便于相减</summary>
/// <param name="time"></param>
/// <returns></returns>
public DateTime ConvertKind(DateTime time)
{
// 如果待转换时间未指定时区，则直接返回
if (time.Kind == DateTimeKind.Unspecified) return time;
return StartTimestamp.Kind switch
{
DateTimeKind.Utc => time.ToUniversalTime(),
DateTimeKind.Local => time.ToLocalTime(),
_ => time,
};
}
#endregion
#region 集群扩展
/// <summary>加入集群。由集群统一分配WorkerId，确保唯一，从而保证生成的雪花Id绝对唯一</summary>
/// <param name="cache"></param>
/// <param name="key"></param>
public virtual void JoinCluster(ICache cache, String key = "SnowflakeWorkerId")
{
var wid = (Int32)cache.Increment(key, 1);
WorkerId = wid & 0x3FF;
}
#endregion
}
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