MongoDB ObjectID 生成器 - 创建唯一的 BSON 标识符

什么是 MongoDB ObjectID？

MongoDB ObjectID 是一个 12 字节的值，MongoDB 默认会将其分配给每个文档的 _id 字段。它表示为 24 个小写十六进制字符，例如 507f1f77bcf86cd799439011。此工具可直接在浏览器中一次生成 1 到 100 个有效的 ObjectID，无需连接数据库。

MongoDB ObjectID 的结构

ObjectID 由三个部分依次连接而成：

• 时间戳（4 字节）。 自 1970年1月1日（Unix 纪元）以来的秒数，以无符号大端序数值存储。它记录 ObjectID 的创建时间。四个字节可保存从 0 到 4,294,967,295 的值，因此该字段在 2106年2月7日 06:28:15 UTC 之后会回绕到 0。
• 随机值（5 字节）。 程序启动时随机选择一次的数值。此后该程序创建的每个 ObjectID 都会复用同一个随机值，因此不同计算机无需协调。
• 计数器（3 字节）。 从 0 到 16,777,215 之间的随机位置开始，每生成一个新的 ObjectID 就增加 1。如果超过 16,777,215，就回绕到 0。

将这些部分首尾相接后，形式如下：

1timestamp (8 hex chars) + random value (10 hex chars) + counter (6 hex chars) = 24 hex chars
2

较早版本的 MongoDB 驱动程序使用机器标识符和进程 ID 构成中间部分，而不是使用随机数。当前的驱动程序，包括此工具背后的逻辑，则为每个进程使用一个随机的 5 字节值。

MongoDB ObjectID 的格式与公式

ObjectID 背后没有类似百分比或利息计算的算术公式。它是将三个数转换为十六进制文本后按顺序首尾连接而成的：

1. 取当前时间自 Unix 纪元以来的秒数，并将其限制在 0 到 4,294,967,295 的范围内，使其适合存入四个字节。将其写成一个 8 位十六进制数。
2. 取进程固定的随机值，即从 0 到 2^40 − 1 之间的数值。将其写成一个 10 位十六进制数。
3. 取计数器的当前值，范围为 0 到 16,777,215。将其写成一个 6 位十六进制数，然后将计数器增加 1，供下一个 ID 使用。
4. 按此顺序连接三个十六进制字符串，得到一个长度为 24 个字符的字符串。

计算示例

假设程序在 Unix 时间 1,700,000,000 秒时启动，即 UTC 时间 2023年11月14日 22:13:20。它选择随机值 3f2a91c8d4，并将计数器的起始值设为 12,345。

• 十六进制时间戳：6553f100
• 十六进制随机值：3f2a91c8d4
• 十六进制计数器：003039

将这些部分连接起来，得到第一个 ObjectID：

6553f1003f2a91c8d4003039

如果程序在同一秒内生成第二个 ObjectID，时间戳和随机值保持不变，但计数器增加到 12,346（00303a）：

6553f1003f2a91c8d400303a

读取 ObjectID 时也可以反向解析。给定 507f1f77bcf86cd799439011，其前 8 个字符 507f1f77 可解码为自纪元以来的 1,350,508,407 秒，即 UTC 时间 2012年10月17日 21:13:27。

MongoDB ObjectID 的常见用途

• 主键。 MongoDB 会自动将 ObjectID 放入文档的 _id 字段，除非提供了其他值。
• 按创建时间查询。 由于其中嵌入了时间戳，程序无需单独的日期字段，就可以读取文档的大致创建时间。
• 按插入顺序排序。 按 _id 对文档排序，大致相当于按创建时间排序，因为时间戳位于该值的开头。
• 测试数据和模拟数据。 开发人员使用生成的 ObjectID 构建示例文档或自动化测试，无需运行数据库。

MongoDB ObjectID 与 UUID

UUID（通用唯一标识符）是一个 16 字节的值，比 ObjectID 多四个字节。标准 UUID 通常整体具有随机性，因此不会透露创建时间，也不会按创建顺序排序。ObjectID 更短，并且大致按时间排序；这也是 MongoDB 默认使用它的原因之一，不过它不具备正确生成的 UUID 所具有的同等正式唯一性保证。

常见问题

MongoDB ObjectID 用于什么？ 它是 MongoDB 放入文档 _id 字段的默认值，因此每个文档无需额外设置就能获得唯一键。

MongoDB ObjectID 能保证唯一吗？ 从严格的形式化数学意义上说不能保证，但发生碰撞的可能性极低。两个 ObjectID 必须在同一秒内具有相同的随机值和相同的计数器位置才会碰撞，而这通常只会发生在同一个进程中。

可以从 ObjectID 中读取创建日期吗？ 可以。前 8 个十六进制字符，即 4 个字节，保存自 Unix 纪元以来的秒数。将该数值转换为日期，即可得到大致的创建时间。

此生成器一次可以生成多少个 ObjectID？ 每批可生成 1 到 100 个。一个批次中的所有 ID 共享同一个进程级随机值，并且每个 ID 的计数器都比前一个高一。

MongoDB ObjectID 可以在 MongoDB 之外使用吗？ 可以。由于它们只是编码为十六进制文本的 12 字节值，因此也可以在其他系统中用作唯一 ID，不过数据库自身的 ID 方案可能更适合其需求。

此生成器连接到真实的 MongoDB 数据库吗？ 不连接。它完全在浏览器中运行，不会从任何数据库读取数据，也不会向任何数据库写入数据。

参考文献

1. "ObjectId." MongoDB 手册，https://www.mongodb.com/docs/manual/reference/method/ObjectId/.
2. "ObjectId Specification." MongoDB BSON 规范，https://github.com/mongodb/specifications/blob/master/source/bson-objectid/objectid.md.
3. "BSON Types." BSON 规范，https://bsonspec.org/spec.html.