毫秒并发 ID (MCID) 生成方案

1. 引言

在数字时代，唯一标识符的生成对于维护数据完整性、支持分布式系统以及确保准确的事务处理至关重要。毫秒并发 ID (MCID) 生成方案是一种高精度、可扩展的解决方案，旨在为需要毫秒级精度和高并发支持的实时系统生成唯一标识符。本文件概述了 MCID 方案的设计、实现及标准化建议，并特别强调了其对前端浏览器的支持能力。

2. 问题描述

随着现代应用程序和分布式系统的扩展，独特且一致的标识符生成方案变得日益重要。时间戳精度、高并发处理和确保分布式环境中的唯一性等挑战，迫切需要一种强大的 ID 生成策略。

传统的雪花 ID（Snowflake ID）生成方案使用 64 位二进制整数来生成唯一 ID。然而，由于前端浏览器的Number类型基于 IEEE 754 标准，只能精确表示到 53 位二进制位的整数。这导致了雪花 ID 通常需要转换为字符串格式才能在前端安全使用，增加了数据传输和处理的开销。MCID 方案的设计目的就是为了解决这个问题，提供一种不需要转换为字符串即可在前端安全使用的 ID 生成机制。

3. 目标

MCID 方案的主要目标包括：

  • 精度：利用毫秒级时间戳确保事件的及时排序。
  • 并发性：支持在同一毫秒内的高并发 ID 生成。
  • 可扩展性：提供一种在分布式系统中可扩展的机制，同时保持 ID 的唯一性。
  • 效率：生成紧凑的数字 ID，便于存储、索引和处理。
  • 前端兼容性：确保生成的 ID 能够在前端浏览器中安全地作为 Number 类型使用，避免精度损失。

4. 设计概述

MCID 方案通过结合三个组成部分生成唯一标识符：

  1. 时间戳部分：主要部分，表示自 Unix 纪元（1970 年 1 月 1 日 00:00:00 UTC）以来的当前毫秒数。
  2. 机器或进程标识符：次要部分，用于区分不同机器或进程生成的 ID，确保分布式环境中的唯一性。
  3. 序列号：在同一毫秒内生成多个 ID 时递增的计数器，处理高并发场景。

4.1 MCID 的结构

MCID 是一个不超过 53 位二进制的整数，由以下部分组成：

  • 时间戳（41 位）：表示自 Unix 纪元以来的毫秒数。
  • 机器/进程 ID（8 位）：用于区分生成 ID 的机器或进程，确保分布式环境中的唯一性。
  • 序列号（4 位）：在同一毫秒内递增的计数器，支持每毫秒最多 16 个唯一 ID。

4.2 位分配

  • 41 位 用于时间戳：覆盖大约 69 年，这对于大多数应用场景来说是足够的。
  • 8 位 用于机器/进程 ID：支持多达 256 台机器或进程的分布式环境。
  • 4 位 用于序列号：支持每毫秒最多 16 个唯一 ID。

4.3 前端浏览器支持

MCID 生成的 ID 严格控制在 53 位二进制以内，这使得它可以安全地在前端浏览器中作为 Number 类型使用，而无需转换为字符串。这种设计有效避免了雪花 ID 在前端处理时需要转换为字符串的额外开销，从而提高了效率并简化了数据传输。

4.4 MCID 生成算法

  1. 时间戳部分：使用高精度系统时钟获取当前毫秒时间戳。
  2. 机器/进程 ID：使用预定义的机器或进程的唯一标识符。
  3. 序列号：如果在同一毫秒内生成多个 ID，则递增序列号。如果序列号超出最大值（15），则等待下一毫秒。

4.5 示例实现

5. 性能考虑

  • 时间精度：41 位的时间戳提供了毫秒级的精度，支持事件排序，对于时间敏感的应用至关重要。
  • 并发性：4 位的序列号确保每毫秒在单台机器或进程上可以生成多达 16 个唯一 ID，相比之前的方案大幅提升了并发处理能力，适合高并发环境。
  • 可扩展性：8 位的机器/进程 ID 支持多达 256 个分布式节点，每个节点能够独立生成 ID 而不会发生冲突。
  • 前端兼容性：生成的 ID 在前端浏览器中可以安全地作为 Number 类型使用，确保跨平台操作的一致性。

6. 适用场景

MCID 方案适用于广泛的应用场景，包括但不限于：

  • 分布式系统：需要在多个节点或进程之间生成唯一标识符。
  • 事务处理：确保金融系统中的唯一事务 ID。
  • 事件日志记录：以毫秒精度捕获和排序事件。
  • 数据同步：在需要跨分布式数据库生成全球唯一且有序的标识符的系统中。
  • Web 应用程序：需要在前端浏览器中处理唯一 ID，并确保其在 Number 类型下的精度和一致性。

7. 结论

毫秒并发 ID (MCID) 生成方案是一种强大、可扩展且高效的解决方案，能够在现代分布式系统中生成唯一标识符。通过利用毫秒级精度、支持高并发、确保全球唯一性，MCID 满足了当今高性能、实时应用的需求。其在前端浏览器中的良好支持确保了跨平台的一致性和安全性。同时，MCID 方案的设计避免了雪花 ID 在前端必须转换为字符串的缺陷，使其成为更加高效的替代方案。采用该方案将标准化唯一 ID 的生成，提高技术生态系统中的互操作性和可靠性。

8. Java 实现

package com.litongjava.open.chat.mcid;

public class McIdGenerator {
  private final int machineId;
  private int sequence = 0;
  private long lastTimestamp = -1L;

  public McIdGenerator(int machineId) {
    if (machineId < 0 || machineId > 255) { // 8位机器/进程ID限制
      throw new IllegalArgumentException("Machine ID must be between 0 and 255");
    }
    this.machineId = machineId;
  }

  public synchronized long generateId() {
    long timestamp = System.currentTimeMillis();

    if (timestamp == lastTimestamp) {
      sequence = (sequence + 1) & 15; // 4位序列号
      if (sequence == 0) {
        while (System.currentTimeMillis() <= timestamp) {
          // 等待下一毫秒
        }
        timestamp = System.currentTimeMillis();
      }
    } else {
      sequence = 0;
    }

    lastTimestamp = timestamp;
    // 41位时间戳 | 8位机器/进程ID | 4位序列号
    return ((timestamp & 0x1FFFFFFFFFFL) << 12) | (machineId << 4) | sequence;
  }

  public static void main(String[] args) {
    McIdGenerator generator = new McIdGenerator(1); // 机器ID = 1
    for(int i=0;i<10000;i++) {
      long id = generator.generateId();
      System.out.println(id); // 输出生成的唯一ID
    }

  }
}

tio-utils

import com.litongjava.tio.utils.mcid.McIdUtils;
long id = McIdUtils.id();