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：

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。
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。
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

时间戳部分：使用高精度系统时钟获取当前毫秒时间戳。
机器/进程 ID：使用预定义的机器或进程的唯一标识符。
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();

TypeScript 实现

// utils/mcid.ts
export class Mcid {
  private lastTimestamp = -1;
  private sequence = 0;

  constructor(private readonly machineId: number = 0) {
    if (machineId < 0 || machineId > 255) {
      throw new Error("Machine ID must be between 0 and 255");
    }
  }

  generate(): number {
    let now = Date.now();

    if (now < this.lastTimestamp) {
      throw new Error("Clock moved backwards");
    }

    if (now === this.lastTimestamp) {
      this.sequence = (this.sequence + 1) & 0xf;
      if (this.sequence === 0) {
        while (now <= this.lastTimestamp) {
          now = Date.now();
        }
      }
    } else {
      this.sequence = 0;
    }

    this.lastTimestamp = now;

    return now * 0x1000 + this.machineId * 16 + this.sequence;
  }
}

import { Mcid } from "@/lib/mcid";
const newUserId = new Mcid().generate().toString();