厉害了，美女同事用单例模式实现了雪花算法！

àì夳堔傛蜴生んèń 2022-09-09 14:44 212阅读 0赞

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雪花算法

#  #

雪花算法适用于生成全局唯一的编号，比如数据库主键id，订单编号等

至于为什么叫雪花算法，是因为科学家通过研究认为自然界中不存在两片完全相同的雪花，所以这种算法用雪花来命名也是强调它生成的编号不会重复吧

雪花算法生成的编号共有64bit，刚好是java中long的最大范围

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雪花算法是用64位的二进制数字表示

在二进制中，第一位是符号位，表示正数或负数，正数是0，负数是1

因为生成唯一编号不需要负数，所以第一位永远是0，相当于没用

用41位表示时间戳，这个时间戳是当前时间和指定时间的毫秒差。

比如指定时间是`2021-06-30 11:07:20`，在1秒之后调用了雪花算法，那么这个毫秒差就是1000

41位的二进制，可以表示 **「241\-1」** 个正数，这么多个毫秒差理论上是可以使用69年。

> (241\-1) / (1000∗60∗60∗24∗365)≈69.73

IT行业日益更新的当下，很少有程序能持续使用69年。所以，足够了

用10位表示机器编号，在分布式环境下最多支持 **「210=1024」** 个机器

用12位表示序列号，在同一个毫秒内，同一个机器上用序列号来控制并发。同一个毫秒内可以允许有 **「212=4096」** 个并发

总结下来就是，即使你的程序在分布式环境下有1024台负载，每个负载每毫秒的并发量是4096，雪花算法生成的唯一编号也不会重复，算法不可谓不强大

以上是基于二进制讲的雪花算法，比较晦涩难懂，也不利于接下来我们要讨论的内容

所以，我们对雪花算法做一点修改，改成如下方式

![48f46827616ffc85855d3e8d3de30948.png][]

用15个字符表示时间串，比如`2021年06月30日14点52分30秒226毫秒`可以表示为`210630145230226`。这么表示可读性更强，而且百年之内不会重复

用两位数字表示机器编号，最多可以支持100个机器

用两位数字表示序列号，一毫秒内支持100个并发

接下来把我们改编后的算法用代码实现一下(这里贴的是图片，文末会附上源码)

![6ebadf4cdcd45e512ba7d04929fcdf8d.png][]

这就实现了我们改编过后的雪花算法。但是，仔细想一下，代码还存在并发问题

在两个线程同时执行这块代码时获取的唯一编号有可能重复

![7b8ca92907987adaf337df97864ce406.png][]

这是因为线程A执行到某一行时被挂起，还没来得及修改`lastTime`的值。比如线程A执行到这一行时被挂起

![6eac9afc2d7d1f69b4137f3a8b821244.png][]

这时线程B开始执行，判断`lastTime`和`nowTime`还是`equals`的，线程B就会继续执行并且获得一个编号

然后线程A被唤起继续执行也获取到一个编号，这时两个线程获取到的编号就重复了

可以用java的`synchronized`关键字把并发改为同步

![0c81b0a9d1dc8ab0acf9d2b4b837328e.png][]

加上`synchronized`后，当线程A在方法中正执行时，线程B只能在方法外等待，不能进去执行，这就解决了上面说的并发问题

但是，还有另外一个问题。

我们都知道`synchronized`只针对同一个实例有效，当有多个实例时，多个实例之间无法控制

![0730f6c94fa96d1f41d1a34284561b09.png][]

一旦产生多个实例时，多个实例之间产生的编号就有可能重复

所以我们不能让这个类的对象产生多个实例，只能让它始终保持只有一个实例

说到这里，我们首先想到的就是单例模式。另外，设计模式系列面试题和答案全部整理好了，微信搜索Java技术栈，在后台发送：面试，可以在线阅读。

单例模式最大的特点就是在任何情况下最多只有一个实例，所以这里使用单例模式来解决这个问题再合适不过

先说一下单例模式怎么保证单例，要想保证单例就不能让别人随便创建实例。

最好的办法就是把构造器私有化，让它是`private`的。私有化之后只有这个类自己能创建实例，其它的类都没有调用这个类的构造器的权限

这个类只创建一个实例，那么它就是单例的

单例模式的创建可分为懒汉式创建和饿汉式创建

# 懒汉式单例模式 #

懒汉式从字面意思理解就是懒嘛，因为我懒，能歇着就不会动，你没让我干活我就不会主动去干

所以，懒汉式单例模式的实例一开始为空，等到被调用时才会初始化

懒汉式单例模式有多种实现方式，首先我们先来看第一种

![507388b4bff32edaa686ae486748bf1e.png][]

加上红框中的内容就变成了懒汉式单例模式

但是这个单例模式在并发情况下是有可能会产生多个实例的

![b8a7b83a3ebf21e2b48e4c9c796f816f.png][]

两个线程获取的实例的内存地址是不一样的，说明获取到的是多个实例

这是因为在并发情况下线程A执行到某一行时被挂起，还没来得及创建实例。比如下面这一行

![f059fe3d530a7b23fd660ae811de8db6.png][]

这时线程B开始执行，到18行时判断还没创建实例，线程B就创建了一个实例

然后线程A被唤起，接着往下执行，也会创建一个实例

这个问题和我们刚才讲雪花算法的时候遇到的问题一样，可以用`synchronized`来解决

![271c010497d516e05cf54a42663b6f22.png][]

加上`synchronized`以后，当一个线程在执行被`synchronized`锁住的代码时，其他线程只能等待。

当这个线程执行完之后，创建了`snowFlake`实例。然后别的线程才能进去执行

当别的线程进去执行的时候，发现`snowFlake`不是null了，就不会创建新的实例了

这就解决了懒汉式单例模式在并发情况下创建多个实例的问题，但是还不够完美

试想一下，当并发量很大的时候，因为只有一个线程可以进去执行，其他线程只能在外面等待。

随着访问量越来越大，被阻塞的线程也越来越多。当阻塞的线程足够多时，就有可能导致服务器宕机

我们可以这样优化，在`synchronized`外面再加一层非空判断

![c2d9a9d50bcf17c5649af447cbd75ecc.png][]

加上外层的非空判断之后，虽然`synchronized`还是会阻塞后面过来的线程

但是，当第一个线程执行完之后，`snowFlake`被实例化，不再为null

因为有外层的非空判断，所以后续的线程不会再进去执行，也不会被阻塞，而是直接return了

这就是一个完美的懒汉式单例模式了

# 饿汉式单例模式 #

饿汉式从字面意思理解就是饿嘛，因为我一直饿，所以把好吃的都提前给我准备好

所以饿汉式单例模式的实例是提前创建好的，也就是类加载的时候就创建了，而不是等到用的时候再创建

我们用饿汉式单例模式来优化一下我们之前改编的雪花算法

![b155b4fb299db6f05b2a43fbc5705a1a.png][]

加上红框中的代码雪花算法就变成了饿汉式单例模式。

红框中第一行的`snowFlake`变量是被static修饰的，我们都知道static修饰的变量是属于这个类的，在类加载的时候就进行了初始化赋值。

而这个类只会被加载一次，所以`snowFlake`变量只会被初始化一次，从而保证了单例。

推荐：[单例模式的 8 种写法，非常全！][8]

# 源码 #

下面附上饿汉式和懒汉式创建雪花算法单例模式的源码，需要的请自取

**「饿汉式」**单例模式实现雪花算法

package com.helianxiaowu.hungrySingleton;
    
    import java.time.LocalDateTime;
    import java.time.format.DateTimeFormatter;
    
    /**
     * @desc: 饿汉式单例模式实现雪花算法
     * @author: 公众号：赫连小伍
     * @create: 2021-06-29 19:32
     **/
    public class SnowFlake {
    
        private static SnowFlake snowFlake = new SnowFlake();
    
        private SnowFlake() {}
    
        public static SnowFlake getInstance() {
            return snowFlake;
        }
    
        // 序列号，同一毫秒内用此参数来控制并发
        private long sequence = 0L;
        // 上一次生成编号的时间串，格式：yyMMddHHmmssSSS
        private String lastTime = "";
    
        public synchronized String getNum() {
            String nowTime = getTime(); // 获取当前时间串，格式：yyMMddHHmmssSSS
            String machineId = "01"; // 机器编号，这里假装获取到的机器编号是2。实际项目中可从配置文件中读取
            // 本次和上次不是同一毫秒，直接生成编号返回
            if (!lastTime.equals(nowTime)) {
                sequence = 0L; // 重置序列号，方便下次使用
                lastTime = nowTime; // 更新时间串，方便下次使用
                return new StringBuilder(nowTime).append(machineId).append(sequence).toString();
            }
            // 本次和上次在同一个毫秒内，需要用序列号控制并发
            if (sequence < 99) { // 序列号没有达到最大值，直接生成编号返回
                sequence = sequence + 1;
                return new StringBuilder(nowTime).append(machineId).append(sequence).toString();
            }
            // 序列号达到最大值，需要等待下一毫秒的到来
            while (lastTime.equals(nowTime)) {
                nowTime = getTime();
            }
            sequence = 0L; // 重置序列号，方便下次使用
            lastTime = nowTime; // 更新时间串，方便下次使用
            return new StringBuilder(nowTime).append(machineId).append(sequence).toString();
        }
    
        private String getTime() {
            return LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyMMddHHmmssSSS"));
        }
    }

**「懒汉式」**单例模式实现雪花算法

package com.helianxiaowu.lazySingleton;
    
    import java.time.LocalDateTime;
    import java.time.format.DateTimeFormatter;
    
    /**
     * @desc: 懒汉式单例模式实现雪花算法
     * @author: 公众号：赫连小伍
     * @create: 2021-06-29 19:32
     **/
    public class SnowFlake {
    
        private static SnowFlake snowFlake = null;
    
        private SnowFlake() {}
    
        public static SnowFlake getInstance() {
            if (snowFlake == null) {
                synchronized (SnowFlake.class) {
                    if (snowFlake == null) {
                        snowFlake = new SnowFlake();
                    }
                    return snowFlake;
                }
            }
            return snowFlake;
        }
    
        // 序列号，同一毫秒内用此参数来控制并发
        private long sequence = 0L;
        // 上一次生成编号的时间串，格式：yyMMddHHmmssSSS
        private String lastTime = "";
    
        public synchronized String getNum() {
            String nowTime = getTime(); // 获取当前时间串，格式：yyMMddHHmmssSSS
            String machineId = "01"; // 机器编号，这里假装获取到的机器编号是2。实际项目中可从配置文件中读取
            // 本次和上次不是同一毫秒，直接生成编号返回
            if (!lastTime.equals(nowTime)) {
                sequence = 0L; // 重置序列号，方便下次使用
                lastTime = nowTime; // 更新时间串，方便下次使用
                return new StringBuilder(nowTime).append(machineId).append(sequence).toString();
            }
            // 本次和上次在同一个毫秒内，需要用序列号控制并发
            if (sequence < 99) { // 序列号没有达到最大值，直接生成编号返回
                sequence = sequence + 1;
                return new StringBuilder(nowTime).append(machineId).append(sequence).toString();
            }
            // 序列号达到最大值，需要等待下一毫秒的到来
            while (lastTime.equals(nowTime)) {
                nowTime = getTime();
            }
            sequence = 0L; // 重置序列号，方便下次使用
            lastTime = nowTime; // 更新时间串，方便下次使用
            return new StringBuilder(nowTime).append(machineId).append(sequence).toString();
        }
    
        private String getTime() {
            return LocalDateTime.now().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyMMddHHmmssSSS"));
        }
    }

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