如何使用雪花算法生成真正的随机数

麦辣鸡腿堡 2023-10-09 1335

描述

以前用rand和srand生成过伪随机数，伪随机数的序列是固定的，今天学习生成真正的随机数的生成。

熵池

利用/dev/urandom可以生成随机数的值，/dev/urandomLinux下的熵池，所谓熵池就是当前系统下的环境噪音，描述了一个系统的混乱程度，环境噪音由这几个方面组成，如内存的使用，文件的使用量，不同类型的进程数量等等。

#include < stdio.h >
#include < fcntl.h >


int main()
{
        int randNum = 0;
        int fd = 0;


    for(int i=0;i< 5;i++)
    {      
      fd = open("/dev/urandom", O_RDONLY);  
      read(fd, (char *)&randNum, sizeof(int));
      close(fd); 
      printf("randNum is %dn", randNum);
    }


        return 0;
}

运行结果：

mapan@mapan-virtual-machine:~/c++$ ./a.out 
randNum is 94961710
randNum is -523780773
randNum is 1542169420
randNum is -1632410867

每次打印的5个随机数都不一样，其实它的随机性也不太好。雪花算法生成的数的随机性很好，通常在分布式系统中生成唯一ID。

雪花算法

SnowFlake算法产生的ID是一个64位的整型，结构如下（每一部分用“-”符号分隔）：
0 - 0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0 - 00000 - 00000 - 00000000000

1位标识部分，在java中由于long的最高位是符号位，正数是0，负数是1，一般生成的ID为正数，所以为0；

41位时间戳部分，这个是毫秒级的时间，一般实现上不会存储当前的时间戳，而是时间戳的差值（当前时间-固定的开始时间），这样可以使产生的ID从更小值开始；41位的时间戳可以使用69年，(1L << 41) / (1000L 60 60 24 365) = 69年；

10位节点部分，Twitter实现中使用前5位作为数据中心标识，后5位作为机器标识，可以部署1024个节点；

12位序列号部分，支持同一毫秒内同一个节点可以生成4096个ID；

/* 
    snowflake 


    ID 生成策略 
    毫秒级时间41位+机器ID 10位+毫秒内序列12位。
    0 41 51 64 +-----------+------+------+ |time |pc |inc | +-----------+------+------+ 
    前41bits是以微秒为单位的timestamp。
    接着10bits是事先配置好的机器ID。
    最后12bits是累加计数器。
    macheine id(10bits)标明最多只能有1024台机器同时产生ID，sequence number(12bits)也标明1台机器1ms中最多产生4096个ID， * 
      注意点，因为使用到位移运算，所以需要64位操作系统，不然生成的ID会有可能不正确 
*/  


#include < stdio.h >  
#include < pthread.h >  
#include < unistd.h >  
#include < stdlib.h >  
#include < sched.h >  
#include < linux/unistd.h >  
#include < sys/syscall.h >  
#include < errno.h >  
#include< linux/types.h >  
#include< time.h >  
#include < stdint.h >  
#include < sys/time.h >  


struct  globle  
{  
    int global_int:12;  
    uint64_t last_stamp;  
    int workid;  
    int seqid;  
};  


void set_workid(int workid);  
pid_t gettid( void );  
uint64_t get_curr_ms();  
uint64_t wait_next_ms(uint64_t lastStamp);  
int atomic_incr(int id);  
uint64_t get_unique_id();

#include "snowflake.h"


struct globle g_info;


#define   sequenceMask  (-1L ^ (-1L < < 12L))  //L表示long型     4095


void set_workid(int workid)
{
 g_info.workid = workid;
}


pid_t gettid( void )//获取线程ID
{
  return syscall( __NR_gettid );
}


uint64_t get_curr_ms()  //获取毫秒
{
  struct timeval time_now;
  gettimeofday(&time_now,NULL);
  uint64_t ms_time =time_now.tv_sec*1000+time_now.tv_usec/1000;
  return ms_time;
}


uint64_t wait_next_ms(uint64_t lastStamp)
{
  uint64_t cur = 0;
  do {
    cur = get_curr_ms();
  } while (cur <= lastStamp);
  return cur;
}


int atomic_incr(int id)//累加
{
  __sync_add_and_fetch(&id, 1);
  return id;
}


uint64_t get_unique_id()
{
  uint64_t  uniqueId=0;
  uint64_t nowtime = get_curr_ms();//获取当前毫秒数


  uniqueId = nowtime < < 22;   //填补时间戳部分


  //0x3ff 1023,二进制对应11 1111 1111 
  //100的二进制0000 0000 0000 0000 0000 0000 0110 0100
  //先执行移位
  uniqueId |= (g_info.workid & 0x3ff) < < 12;   //填补节点部分


  if (nowtime < g_info.last_stamp)
  {
    perror("error");
    exit(-1);
  }


  if (nowtime == g_info.last_stamp)
  {
    //4095的二进制0000 1111 1111 1111      [long型]
    g_info.seqid = atomic_incr(g_info.seqid) & sequenceMask;
    if (g_info.seqid == 0)  //seqid=0防止冲突，修改时间
    {
      nowtime = wait_next_ms(g_info.last_stamp);//获取大于当前时间的time
    }
  }
  else
  {
    g_info.seqid  = 0;
  }
  g_info.last_stamp = nowtime;


  uniqueId |= g_info.seqid;//填补序列号部分
  return uniqueId;
}


int main()
{
  set_workid(100);
  int i;
  for(i=0;i< 10;i++)
  {
    uint64_t unquie = get_unique_id();
    printf("pthread_id:%u, id [%llu]n",gettid(),unquie);
  }


  return;  
}

运行结果：

mapan@mapan-virtual-machine:~/c++$ ./a.out 
pthread_id:4970, id [6595660141600063488]
pthread_id:4970, id [6595660141600063489]
pthread_id:4970, id [6595660141600063490]
pthread_id:4970, id [6595660141600063491]
pthread_id:4970, id [6595660141600063492]

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