mongodb的object ID底层是如何实现的

MongoDB 的 ObjectId 是一种用于唯一标识文档的 12 字节标识符。它是 MongoDB 中最常见的默认主键类型（如果用户没有显式指定 _id 字段时）。每个 ObjectId 都是唯一的，并且包含了不同的信息，有助于在分布式环境中生成全球唯一的标识符。下面是 ObjectId 的底层实现细节：

1. ObjectId 的结构

ObjectId 是一个 12 字节的值，通常用 24 字符的十六进制字符串表示。它的结构如下：


| 4 字节 时间戳 | 5 字节 随机值 | 2 字节 增量计数器 | 1 字节 机器标识符 |

具体说明如下：

4 字节时间戳（从 Unix Epoch 开始的秒数，32-bit）：表示生成 ObjectId 的时间，单位是秒。通过这个时间戳，我们可以推测 ObjectId 的生成时间。时间戳的前四个字节可以产生大约 136 年的唯一标识符。
5 字节随机值（48-bit 随机值）：用于确保即使在不同的服务器或进程上生成的 ObjectId 也是唯一的。通常是由机器的网络接口卡（MAC 地址）或者随机数生成器来生成。
2 字节增量计数器（16-bit）：这个计数器保证了即使在同一秒内生成多个 ObjectId，它们也能保持唯一性。每当在同一秒内生成新的 ObjectId 时，增量计数器会自增。
1 字节机器标识符（8-bit）：通常是机器的 ID 或者进程 ID，确保在分布式系统中不同的机器或进程能生成不重复的 ObjectId。

2. ObjectId 生成过程

MongoDB 的 ObjectId 在生成时并不是简单地随机生成的，而是依照上述的结构按顺序生成。具体步骤如下：

时间戳：首先获取当前时间戳（精确到秒），即从 Unix Epoch（1970-01-01 00:00:00 UTC）到当前时间的秒数。
机器标识符：MongoDB 会根据每台机器的特征（通常是机器的 MAC 地址，或者通过配置的其他方式生成机器 ID）生成一个唯一的标识符。这样即使在不同的机器上生成 ObjectId，它们也能保证不同。
进程 ID 和增量计数器：在同一台机器上，多个进程可能同时生成 ObjectId，因此需要一个进程 ID 来区分不同的进程，此外还需要一个计数器来保证即使在同一时间戳下，多个生成的 ObjectId 也是唯一的。这个计数器通常会在生成每个 ObjectId 时自增。
拼接形成 ObjectId：最后，ObjectId 的各个部分按顺序拼接在一起，形成一个 12 字节的值。最终，这个 12 字节值可以转换成一个 24 字符的十六进制字符串。

3. ObjectId 的优点

全局唯一性：通过结合时间戳、机器标识符、进程 ID 和增量计数器，MongoDB 确保每个 ObjectId 在分布式环境中是唯一的。
排序特性：由于 ObjectId 中包含了时间戳信息，可以根据 ObjectId 值排序，从而使得按创建时间排序的查询更加高效。
高效生成：ObjectId 在生成时不依赖中央服务，因此生成速度非常快。它可以在客户端生成，并且不需要任何额外的同步机制。
减少碰撞的风险：通过加入多个唯一标识符（时间戳、机器 ID、进程 ID 和增量计数器），ObjectId 几乎没有碰撞的风险，即使在分布式环境下，碰撞的概率也极低。

4. 如何生成 ObjectId

在 MongoDB 中，ObjectId 是通过一个简单的算法自动生成的。大多数编程语言的 MongoDB 驱动程序都提供了生成 ObjectId 的方法。举例来说：

Python (PyMongo)：

python
from bson import ObjectId
obj_id = ObjectId()
print(obj_id)

JavaScript (Node.js)：

javascript
const { ObjectId } = require('mongodb');
const objId = new ObjectId();
console.log(objId);

每次调用 ObjectId() 时，都会根据当前时间、机器标识符等信息生成一个新的 ObjectId。

5. ObjectId 与时间

ObjectId 中包含的时间戳是从 Unix Epoch（1970年1月1日）开始的秒数，因此你可以通过 ObjectId 反推出生成该 ID 的时间。

在 MongoDB 中，可以通过 ObjectId 提取其嵌入的时间戳。例如，使用 MongoDB 查询时：

javascript
const objId = new ObjectId("507f1f77bcf86cd799439011");
console.log(objId.getTimestamp());

这将返回与该 ObjectId 关联的时间戳，帮助你得知该文档的创建时间。

6. 总结