UUID介绍与生成方法

亦凉 2022-05-12 01:16 456阅读 0赞

## 什么是UUID？ ##

UUID是Universally Unique Identifier的缩写，它是在一定的范围内（从特定的名字空间到全球）唯一的机器生成的标识符。UUID具有以下涵义：

*  经由一定的算法机器生成

为了保证UUID的唯一性，规范定义了包括网卡MAC地址、时间戳、名字空间（Namespace）、随机或伪随机数、时序等元素，以及从这些元素生成UUID的算法。UUID的复杂特性在保证了其唯一性的同时，意味着只能由计算机生成。

*  非人工指定，非人工识别

UUID是不能人工指定的，除非你冒着UUID重复的风险。UUID的复杂性决定了“一般人“不能直接从一个UUID知道哪个对象和它关联。

*  在特定的范围内重复的可能性极小

UUID的生成规范定义的算法主要目的就是要保证其唯一性。但这个唯一性是有限的，只在特定的范围内才能得到保证，这和UUID的类型有关（参见UUID的版本）。  
  
UUID是16字节128位长的数字，通常以36字节的字符串表示，示例如下：  
  
3F2504E0-4F89-11D3-9A0C-0305E82C3301  
  
其中的字母是16进制表示，大小写无关。

Universally Unique IDentifier(UUID)，有着正儿八经的[RFC规范][RFC]，是一个128bit的数字，也可以表现为32个16进制的字符，中间用”-”分割。

\- 时间戳＋UUID版本号，分三段占16个字符(60bit+4bit)，  
\- Clock Sequence号与保留字段，占4个字符(13bit＋3bit)，  
\- 节点标识占12个字符(48bit)，

GUID（Globally Unique Identifier）是UUID的别名；但在实际应用中，GUID通常是指微软实现的UUID。

##       UUID的版本 ##

UUID具有多个版本，每个版本的算法不同，应用范围也不同。  
  
首先是一个特例－－Nil UUID－－通常我们不会用到它，它是由全为0的数字组成，如下：  
  
00000000-0000-0000-0000-000000000000

###       UUID Version 1：基于时间的UUID     ###

因为时间戳有满满的60bit，所以可以尽情花，以100纳秒为1，从1582年10月15日算起(能撑3655年，真是位数多给烧的，1582年有意思么)

节点标识也有48bit，一般用MAC地址表达，如果有多块网卡就随便用一块。如果没网卡，就用随机数凑数，或者拿一堆尽量多的其他的信息，比如主机名什么的，拼在一起再hash一把。

顺序号这16bit则仅用于避免前面的节点标示改变（如网卡改了），时钟系统出问题（如重启后时钟快了慢了），让它随机一下避免重复。

但好像Version 1就没考虑过一台机器上起了两个进程这类的问题，也没考虑相同时间戳的并发问题，所以严格的Version1没人实现，接着往下看各个变种吧。

Version1变种 – Hibernate

Hibernate的[CustomVersionOneStrategy.java][]，解决了之前version 1的两个问题

\- 时间戳(6bytes, 48bit)：毫秒级别的，从1970年算起，能撑8925年….  
\- 顺序号(2bytes, 16bit, 最大值65535): 没有时间戳过了一秒要归零的事，各搞各的，short溢出到了负数就归0。  
\- 机器标识(4bytes 32bit): 拿localHost的IP地址，IPV4呢正好4个byte，但如果是IPV6要16个bytes，就只拿前4个byte。  
\- 进程标识(4bytes 32bit)： 用当前时间戳右移8位再取整数应付，不信两条线程会同时启动。

值得留意就是，机器进程和进程标识组成的64bit Long几乎不变，只变动另一个Long就够了。

Version1变种 – MongoDB

MongoDB的[ObjectId.java][]

\- 时间戳(4 bytes 32bit): 是秒级别的，从1970年算起，能撑136年。

\- 自增序列(3bytes 24bit, 最大值一千六百万)： 是一个从随机数开始（机智）的Int不断加一，也没有时间戳过了一秒要归零的事，各搞各的。因为只有3bytes，所以一个4bytes的Int还要截一下后3bytes。

\- 机器标识(3bytes 24bit): 将所有网卡的Mac地址拼在一起做个HashCode，同样一个int还要截一下后3bytes。搞不到网卡就用随机数混过去。

\- 进程标识(2bytes 16bits)：从JMX里搞回来到进程号，搞不到就用进程名的hash或者随机数混过去。

可见，MongoDB的每一个字段设计都比Hibernate的更合理一点，比如时间戳是秒级别的。总长度也降到了12 bytes 96bit，但如果果用64bit长的Long来保存有点不上不下的，只能表达成byte数组或16进制字符串。

另外对Java版的driver在自增序列那里好像有bug。

Twitter的snowflake派号器

snowflake也是一个派号器，基于Thrift的服务，不过不是用redis简单自增，而是类似UUID version1，

只有一个Long 64bit的长度，所以[IdWorker][]紧巴巴的分配成：

\- 时间戳(42bit) 自从2012年以来(比那些从1970年算起的会过日子)的毫秒数，能撑139年。  
\- 自增序列(12bit，最大值4096), 毫秒之内的自增，过了一毫秒会重新置0。  
\- DataCenter ID (5 bit, 最大值32），配置值。  
\- Worker ID ( 5 bit, 最大值32)，配置值，因为是派号器的id，所以一个数据中心里最多32个派号器就够了，还会在ZK里做下注册。

可见，因为是派号器，把机器标识和进程标识都省出来了，所以能够只用一个Long表达。

另外，这种派号器，client每次只能一个ID，不能批量取，所以额外增加的延时是问题。

### UUID Version 2：DCE安全的UUID ###

DCE（Distributed Computing Environment）安全的UUID和基于时间的UUID算法相同，但会把时间戳的前4位置换为POSIX的UID或GID。这个版本的UUID在实际中较少用到。  
  
UUID Version 3：基于名字的UUID（MD5）  
  
基于名字的UUID通过计算名字和名字空间的MD5散列值得到。这个版本的UUID保证了：相同名字空间中不同名字生成的UUID的唯一性；不同名字空间中的UUID的唯一性；相同名字空间中相同名字的UUID重复生成是相同的。  
  
UUID Version 4：随机UUID  
  
根据随机数，或者伪随机数生成UUID。这种UUID产生重复的概率是可以计算出来的，但随机的东西就像是买彩票：你指望它发财是不可能的，但狗屎运通常会在不经意中到来。  
  
UUID Version 5：基于名字的UUID（SHA1）  
  
和版本3的UUID算法类似，只是散列值计算使用SHA1（Secure Hash Algorithm 1）算法。  
  
UUID的应用  
  
从UUID的不同版本可以看出，Version 1/2适合应用于分布式计算环境下，具有高度的唯一性；Version 3/5适合于一定范围内名字唯一，且需要或可能会重复生成UUID的环境下；至于Version 4，我个人的建议是最好不用（虽然它是最简单最方便的）。  
  
通常我们建议使用UUID来标识对象或持久化数据，但以下情况最好不使用UUID：

*  映射类型的对象。比如只有代码及名称的代码表。
 *  人工维护的非系统生成对象。比如系统中的部分基础数据。

对于具有名称不可重复的自然特性的对象，最好使用Version 3/5的UUID。比如系统中的用户。如果用户的UUID是Version 1的，如果你不小心删除了再重建用户，你会发现人还是那个人，用户已经不是那个用户了。（虽然标记为删除状态也是一种解决方案，但会带来实现上的复杂性。）  
  
UUID生成器  
  
我没想着有人看完了这篇文章就去自己实现一个UUID生成器，所以前面的内容并不涉及算法的细节。下面是一些可用的Java UUID生成器：

*  Java UUID Generator (JUG)：开源UUID生成器，LGPL协议，支持MAC地址。
 *  [UUID][]：特殊的License，有源码。
 *  Java 5以上版本中自带的UUID生成器：好像只能生成Version 3/4的UUID。

此外，Hibernate中也有一个UUID生成器，但是，生成的不是任何一个（规范）版本的UUID，强烈不建议使用。

## 生成方法 ##

搜集了一些UUID的生成方法，整理如下

### Shell ###

*  Unix/Linux环境中大都有一个名为uuidgen的小工具，运行即可生成一个UUID到标准输出
 *  读取文件`/proc/sys/kernel/random/uuid`即得UUID，例如：

cat /proc/sys/kernel/random/uuid

### libuuid ###

libuuid是一个用于生成UUID的C库，具体用法参考[http://linux.die.net/man/3/libuuid][http_linux.die.net_man_3_libuuid]，示例如下：

#include <stdio.h>
    
    #include <uuid/uuid.h>
    
    
    int main(int argc, char **argv)
    
    {
    
    uuid_t uuid;
    
    char str[36];
    
    
    uuid_generate(uuid);
    
    uuid_unparse(uuid, str);
    
    
    printf("%s\n", str);
    
    
    return 0;
    
    }

在Linux下编译时需要链接uuid库

gcc -o uuid uuid.c -luuid

在Ubuntu中，可以用下面的命令安装libuuid：

sudo apt-get install uuid-dev

### boost uuid ###

[Boost库][Boost]是一个可移植的开源C++库，它提供了UUID的实现。

下面的代码可以生成一个UUID

#include <boost/uuid/uuid.hpp>
    
    #include <boost/uuid/uuid_generators.hpp>
    
    
    boost::uuids::uuid a_uuid = boost::uuids::random_generator();

### Qt QUuid ###

Qt是一个跨平台的C++编程框架，QUuid类实现了UUID的生成、比较、转换等功能。

函数`QUuid createUuid();`可用于生成一个随即UUID。示例如下

#include <iostream>
    
    #include <QUuid>
    
    #include <QString>
    
    
    int main()
    
    {
    
    QUuid uuid = QUuid::createUuid();
    
    std::cout << qPrintable(uuid.toString()) << std::endl;
    
    return 0;
    
    }

### CoCreateGuid ###

Windows下提供了函数CoCreateGuid用于生成GUID。需要使用的头文件是”objbase.h”，需要链接的库是ole32.lib，函数原型为：

HRESULT CoCreateGuid(GUID *pguid);

GUID的原型为

typedef struct _GUID
    
    {
    
    DWORD Data1;
    
    WORD Data2;
    
    WORD Data3;
    
    BYTE Data4[8];
    
    } GUID;

### Java ###

JDK 1.5以上支持UUID，用法如下：

import java.util.UUID;
    
    String uuid = UUID.randomUUID().toString();

[RFC]: http://www.ietf.org/rfc/rfc4122.txt
[CustomVersionOneStrategy.java]: https://github.com/hibernate/hibernate-orm/blob/master/hibernate-core/src/main/java/org/hibernate/id/uuid/CustomVersionOneStrategy.java
[ObjectId.java]: https://github.com/mongodb/mongo-java-driver/blob/master/bson/src/main/org/bson/types/ObjectId.java
[IdWorker]: https://github.com/twitter/snowflake/blob/b3f6a3c6ca8e1b6847baa6ff42bf72201e2c2231/src/main/scala/com/twitter/service/snowflake/IdWorker.scala
[UUID]: http://johannburkard.de/blog/programming/java/Java-UUID-generators-compared.html
[http_linux.die.net_man_3_libuuid]: http://linux.die.net/man/3/libuuid
[Boost]: http://www.boost.org/