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JAVA 中UUID 详解_java uuid

作者：小舞很执着 | 2024-07-19 10:04:45

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java uuid

前言：

最近在做加密工作，需要拿到一个随机的32位HASH 值，32*4=128bits。这里碰到了UUID，借此机会总结一下。方便你我他！

1 介绍

UUID 是 通用唯一识别码（Universally Unique Identifier）的缩写，是一种软件建构的标准，亦为开放软件基金会组织在分布式计算环境领域的一部分。其目的，是让分布式系统中的所有元素，都能有唯一的辨识信息，而不需要通过中央控制端来做辨识信息的指定。如此一来，每个人都可以创建不与其它人冲突的UUID。在这样的情况下，就不需考虑数据库创建时的名称重复问题。目前最广泛应用的UUID，是微软公司的全局唯一标识符（GUID），而其他重要的应用，则有Linux ext2/ext3文件系统、LUKS加密分区、GNOME、KDE、Mac OS X等等。另外我们也可以在e2fsprogs包中的UUID库找到实现。

1.1 定义

UUID是由一组32位数的16进制数字所构成，是故UUID理论上的总数为16^32=2^128，约等于3.4 x 10^38。也就是说若每纳秒产生1兆个UUID，要花100亿年才会将所有UUID用完。

1.2 重复机率

随机产生的UUID（例如说由java.util.UUID类别产生的）的128个比特中，有122个比特是随机产生，4个比特在此版本（'Randomly generated UUID'）被使用，还有2个在其变体（'Leach-Salz'）中被使用。利用生日悖论，可计算出两笔UUID拥有相同值的机率约为：

以下是以x=2^122计算出n笔GUID后产生碰撞的机率：

n机率
68,719,476,736 = 2^360.0000000000000004 (4 x 10^-16)
2,199,023,255,552 = 2^410.0000000000004 (4 x 10^-13)
70,368,744,177,664 = 2^460.0000000004 (4 x 10^-10)

与被陨石击中的机率比较的话，已知一个人每年被陨石击中的机率估计为170亿分之1，也就是说机率大约是0.00000000006 (6 x 10^-11)，等同于在一年内置立数十兆笔GUID并发生一次重复。换句话说，每秒产生10亿笔UUID，100年后只产生一次重复的机率是50%。如果地球上每个人都各有6亿笔GUID，发生一次重复的机率是50%。

产生重复GUID并造成错误的情况非常低，是故大可不必考虑此问题。

机率也与随机数产生器的质量有关。若要避免重复机率提高，必须要使用基于密码学上的假随机数产生器来生成值才行。

1.3 代码中的介绍

  1. /**  
  2.  * A class that represents an immutable universally unique identifier (UUID).
  3.  * A UUID represents a 128-bit value.
  4.  * 
  5.  * <p> There exist different variants of these global identifiers.  The methods
  6.  * of this class are for manipulating the Leach-Salz variant, although the
  7.  * constructors allow the creation of any variant of UUID (described below).
  8.  *
  9.  * <p> The layout of a variant 2 (Leach-Salz) UUID is as follows:
  10.  *
  11.  * The most significant long consists of the following unsigned fields:
  12.  * <pre>
  13.  * 0xFFFFFFFF00000000 time_low
  14.  * 0x00000000FFFF0000 time_mid
  15.  * 0x000000000000F000 version
  16.  * 0x0000000000000FFF time_hi
  17.  * </pre>
  18.  * The least significant long consists of the following unsigned fields:
  19.  * <pre>
  20.  * 0xC000000000000000 variant
  21.  * 0x3FFF000000000000 clock_seq
  22.  * 0x0000FFFFFFFFFFFF node
  23.  * </pre>
  24.  *
  25.  * <p> The variant field contains a value which identifies the layout of the
  26.  * {@code UUID}.  The bit layout described above is valid only for a {@code
  27.  * UUID} with a variant value of 2, which indicates the Leach-Salz variant.
  28.  *
  29.  * <p> The version field holds a value that describes the type of this {@code
  30.  * UUID}.  There are four different basic types of UUIDs: time-based, DCE
  31.  * security, name-based, and randomly generated UUIDs.  These types have a
  32.  * version value of 1, 2, 3 and 4, respectively.
  33.  * 
  34.  * <p> For more information including algorithms used to create {@code UUID}s,
  35.  * see <a href="http://www.ietf.org/rfc/rfc4122.txt"> <i>RFC&nbsp;4122: A
  36.  * Universally Unique IDentifier (UUID) URN Namespace</i></a>, section 4.2
  37.  * &quot;Algorithms for Creating a Time-Based UUID&quot;.
  38.  *  
  39.  * @since   1.5
  40.  */

1. UUID 代表一个128bits的数，也就是 32 位十六机制组成的 16bytes 的数

2. UUID 由两部分组成（高64bits 和 低64bits）

高64bits（前面16位16进制数）

32bits（8位16进制数）：time_low 

16bits（4位16进制数）：time_mid

4 bits （1位16进制数）：version

12bits（3位16进制数）：time_hi

低64bits（后面16位16进制数）

2bits  （不够 1 位）        ：variant

14bits（3FFF）              ：clock_seq

48bits（12位16进制数）：node

3. UUID 该类是在JDK1.5 版本开始引入

2 代码详细剖析

2.1 获取time

  1.     public long timestamp() {
  2.         if (version() != 1) {
  3.             throw new UnsupportedOperationException("Not a time-based UUID");
  4.         }
  5.  
  6.         return (mostSigBits & 0x0FFFL) << 48
  7.              | ((mostSigBits >> 16) & 0x0FFFFL) << 32
  8.              | mostSigBits >>> 32;
  9.     }

将上面1.3 中的time_low、time_mid、time_hi 通过位运算整合到一起。

2.2 获取variant

  1.     /**
  2.      * The variant number associated with this {@code UUID}.  The variant
  3.      * number describes the layout of the {@code UUID}.
  4.      *
  5.      * The variant number has the following meaning:
  6.      * <ul>
  7.      * <li>0    Reserved for NCS backward compatibility
  8.      * <li>2    <a href="http://www.ietf.org/rfc/rfc4122.txt">IETF&nbsp;RFC&nbsp;4122</a>
  9.      * (Leach-Salz), used by this class
  10.      * <li>6    Reserved, Microsoft Corporation backward compatibility
  11.      * <li>7    Reserved for future definition
  12.      * </ul>
  13.      *
  14.      * @return  The variant number of this {@code UUID}
  15.      */
  16.     public int variant() {
  17.         // This field is composed of a varying number of bits.
  18.         // 0    -    -    Reserved for NCS backward compatibility
  19.         // 1    0    -    The IETF aka Leach-Salz variant (used by this class)
  20.         // 1    1    0    Reserved, Microsoft backward compatibility
  21.         // 1    1    1    Reserved for future definition.
  22.         return (int) ((leastSigBits >>> (64 - (leastSigBits >>> 62)))
  23.                       & (leastSigBits >> 63));
  24.     }

详细看代码中的注释，不同取值代表不同的意义。

2.3 获取version

  1.     /**
  2.      * The version number associated with this {@code UUID}.  The version
  3.      * number describes how this {@code UUID} was generated.
  4.      *
  5.      * The version number has the following meaning:
  6.      * <ul>
  7.      * <li>1    Time-based UUID
  8.      * <li>2    DCE security UUID
  9.      * <li>3    Name-based UUID
  10.      * <li>4    Randomly generated UUID
  11.      * </ul>
  12.      *
  13.      * @return  The version number of this {@code UUID}
  14.      */
  15.     public int version() {
  16.         // Version is bits masked by 0x000000000000F000 in MS long
  17.         return (int)((mostSigBits >> 12) & 0x0f);
  18.     }

通过 1.3 中知道version 占用的是高64bits 中的12~15 4bits。

2.4 获取clock seq

  1.     public int clockSequence() {
  2.         if (version() != 1) {
  3.             throw new UnsupportedOperationException("Not a time-based UUID");
  4.         }
  5.  
  6.         return (int)((leastSigBits & 0x3FFF000000000000L) >>> 48);
  7.     }

2.5 获取node

  1.     public long node() {
  2.         if (version() != 1) {
  3.             throw new UnsupportedOperationException("Not a time-based UUID");
  4.         }
  5.  
  6.         return leastSigBits & 0x0000FFFFFFFFFFFFL;
  7.     }

注意的是如果version 为1，也就是time-based UUID，会抛出一个exception。

2.6 随机获取一个UUID

  1.     public static UUID randomUUID() {
  2.         SecureRandom ng = Holder.numberGenerator;
  3.  
  4.         byte[] randomBytes = new byte[16];
  5.         ng.nextBytes(randomBytes);
  6.         randomBytes[6]  &= 0x0f;  /* clear version        */
  7.         randomBytes[6]  |= 0x40;  /* set to version 4     */
  8.         randomBytes[8]  &= 0x3f;  /* clear variant        */
  9.         randomBytes[8]  |= 0x80;  /* set to IETF variant  */
  10.         return new UUID(randomBytes);
  11.     }

其实 是通过SecureRandom 获取一个16bytes 的数。

  1.     private UUID(byte[] data) {
  2.         long msb = 0;
  3.         long lsb = 0;
  4.         assert data.length == 16 : "data must be 16 bytes in length";
  5.         for (int i=0; i<8; i++)
  6.             msb = (msb << 8) | (data[i] & 0xff);
  7.         for (int i=8; i<16; i++)
  8.             lsb = (lsb << 8) | (data[i] & 0xff);
  9.         this.mostSigBits = msb;
  10.         this.leastSigBits = lsb;
  11.     }

数组的0~7位高64bits，8~15位低64bits。数组的index 越小，在UUID 位数越高。

2.7 获取完整的UUID

  1.     public String toString() {
  2.         return (digits(mostSigBits >> 32, 8) + "-" +
  3.                 digits(mostSigBits >> 16, 4) + "-" +
  4.                 digits(mostSigBits, 4) + "-" +
  5.                 digits(leastSigBits >> 48, 4) + "-" +
  6.                 digits(leastSigBits, 12));
  7.     }
  8.  
  9.     /** Returns val represented by the specified number of hex digits. */
  10.     private static String digits(long val, int digits) {
  11.         long hi = 1L << (digits * 4);
  12.         return Long.toHexString(hi | (val & (hi - 1))).substring(1);
  13.     }

通过代码我们确定了UUID 的格式：

FFFFFFFF-FFFF-FFFF-FFFF-FFFFFFFFFFFF

跟1.3 中说的对应，分别代表：

time-low（8位16进制数）、time-mid（4位）、version&time-hi（合并成4位）、variant & clock-seq（合并成4位）、node（12位）。

如果要获取完成的字符串可以这样：

  1.     private String getHashCode() {
  2.         UUID uuid = UUID.randomUUID();
  3.         String uuidStr = uuid.toString().replace("-", "");
  4.         return uuidStr;
  5.     }

参考：

http://www.ietf.org/rfc/rfc4122.txt

UUID_百度百科

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