面试官：如何设计一个高并发的短链接系统？

现在的各种App如脉脉、微博基本不会让你发太长的网址，会给你转成短链。在面试的时候也经常会被问到如何实现一个支持高并发的短链接系统。

1 Scenario 场景

根据一个 long url 生成一个short url。

如 http://www.javadaily.cn => http://bit.ly/1ULoQB6

根据 short url 还原 long url，并跳转：

需和面试官确认的问题：

long url和short url必须一一对应吗？

Short url长时间没人用，需要释放吗？

1.1 QPS 分析

1 . 问日活，如微博100M

2 . 推算产生一条 tiny url 的 qps

a . 假设每个用户平均每天 0.1（发10 条，有一条有链接） 条带 URL 的微博

b . 平均写 QPS = 100M * 0.1 / 86400 = 100

c . 峰值写 qps = 100 * 2 = 200

3 . 推算点击一条tiny url的 qps

a . 假设每个用户平均点 1 个tiny url

b . 平均写 QPS = 100M * 1 / 86400 = 1k

c . 峰值读 qps = 1k * 2 = 2k

4 . deduce 每天产生的新 URL 所占存储

a . 100M * 0.1 = 10M 条

b . 每条 URL 长度平均按 100 算，共 1G

c . 1T 硬盘能用 3 年

由2、3 分析可知，并不需要分布式或者 sharding，支持 2k QPS，一台 SSD MySQL 即可。

2 Service 服务 - 逻辑块聚类与接口设计

该系统其实很简单，只需要有一个 service即可：URL Service。由于 tiny url只有一个 UrlService：

• 本身其实就是个小的独立应用
• 也无需关心其他任何业务功能

方法设计：

UrlService.encode(long_url)：编码方法

UrlService.decode(long_url)：解码方法

访问端口设计，当前有如下两种常用主流风格：

• GET /<short_url> REST 风格

Return a http redirect resonse

• POST /data/shorten（不太推荐，不符合 REST 设计风格，但也有人在用）

Return a short url

那么，你们公司的短链系统是选择哪种服务设计呢？

3 Storage 数据存取（最能体现实践经验）

1. select 选存储结构
2. scheme 细化数据表

3.1 SQL V.S NoSQL

需要事务吗？No，nosql+1

需要丰富的 sql query 吗？no，nosql+1

想偷懒吗?tiny url需要写的代码不复杂，nosql+1

qps高吗？2k，不高。sql+1

scalability 要求多高？存储和 qps 都不高，单机都能搞定。sql+1

- sql 需要自己写代码来 scale
- nosql，这些都帮你做了

是否需要 sequential ID？取决于你的算法

• sql 提供 auto_increment 的 sequencetial ID，即 1,2,3
• nosql 的 ID 不是 sequential

3.2 算法

long ur 转成一个 6 位的 short url。给出一个长网址，返回一个短网址。

实现两个方法：

• longToShort(url) 把一个长网址转换成一个以http://tiny.url/开头的短网址
• shortToLong(url) 把一个短网址转换成一个长网址

标准：

1. 短网址的key的长度应为6 （不算域名和反斜杠）。可用字符只有 [a-zA-Z0-9]. 比如: abcD9E
2. 任意两个长的url不会对应成同一个短url，反之亦然。

用两个哈希表：

• 一个是短网址映射到长网址
• 一个是长网址映射到短网址

短网址是固定的格式: "http://tiny.url/" + 6个字符, 字符可任意。

为避免重复, 我们可以按照字典序依次使用, 或者在随机生成的基础上用一个集合来记录是否使用过。

使用哈希函数（不可行）

如取 long url的 MD5 的最后 6 位：

• 快
• 难以设计一个无哈希冲突的哈希算法

随机生成 shortURL+DB去重

随机取一个 6 位的 shortURL，若没使用过，就绑定到改 long url。

public String long2Short(String url) {
  while(true) {
    String shortURL = randomShortURL();
    if (!databse.filter(shortURL=shortURL).exists()) {
      database.create(shortURL=shortURL, longURL=url);
      return shortURL;
    }
  }

}

public class TinyUrl {

    public TinyUrl() {
        long2Short = new HashMap<String, String>();
        short2Long = new HashMap<String, String>();
    }

    /**
     * @param url a long url
     * @return a short url starts with http://tiny.url/
     */
    public String longToShort(String url) {
        if (long2Short.containsKey(url)) {
            return long2Short.get(url);
        }

        while (true) {
            String shortURL = generateShortURL();
            if (!short2Long.containsKey(shortURL)) {
                short2Long.put(shortURL, url);
                long2Short.put(url, shortURL);
                return shortURL;
            }
        }
    }

    /**
     * @param url a short url starts with http://tiny.url/
     * @return a long url
     */
    public String shortToLong(String url) {
        if (!short2Long.containsKey(url)) {
            return null;
        }

        return short2Long.get(url);
    }

    private String generateShortURL() {
        String allowedChars = "0123456789" + "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz" + "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";

        Random rand = new Random();
        String shortURL = "http://tiny.url/";
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            int index = rand.nextInt(62);
            shortURL += allowedChars.charAt(index);
        }

        return shortURL;
    }
}

优点：实现简单

缺点：生成短链接的速度，随着短链接越多而越慢

关系型数据库表：只需Short key和 long url两列，并分别建立索引

也可使用 nosql，但需要建立两张表：

• 根据 long 查询 short key=longurl 列=shorturl value=null or timestamp
• 根据 short 查询 long key=shorturl 列=longurl value=null or timestamp

进制转换 Base32(微博实现方案)

Base62：

• 将 6 位 short url 看做一个 62 进制数（0-9,a-z,A-Z）
• 每个 short url 对应到一个整数
• 该整数对应 DB 表的主键

6 位可表示的不同 URL：

• 5 位 = 62^5=0.9B= 9亿
• 6 位 = 62^6=57B= 570亿
• 7 位 = 62^7=3.5T= 35000亿

优点：效率高

缺点：强依赖于全局的自增 id

public class TinyUrl {
    public static int GLOBAL_ID = 0;
    private HashMap<Integer, String> id2url = new HashMap<Integer, String>();
    private HashMap<String, Integer> url2id = new HashMap<String, Integer>();

    private String getShortKey(String url) {
        return url.substring("http://tiny.url/".length());
    }

    private int toBase62(char c) {
        if (c >= '0' && c <= '9') {
            return c - '0';
        }
        if (c >= 'a' && c <= 'z') {
            return c - 'a' + 10;
        }
        return c - 'A' + 36;
    }

    private int shortKeytoID(String short_key) {
        int id = 0;
        for (int i = 0; i < short_key.length(); ++i) {
            id = id * 62 + toBase62(short_key.charAt(i));
        }
        return id;
    }

    private String idToShortKey(int id) {
        String chars = "0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
        String short_url = "";
        while (id > 0) {
            short_url = chars.charAt(id % 62) + short_url;
            id = id / 62;
        }
        while (short_url.length() < 6) {
            short_url = "0" + short_url;
        }
        return short_url;
    }

    /**
     * @param url a long url
     * @return a short url starts with http://tiny.url/
     */
    public String longToShort(String url) {
        if (url2id.containsKey(url)) {
            return "http://tiny.url/" + idToShortKey(url2id.get(url));
        }
        GLOBAL_ID++;
        url2id.put(url, GLOBAL_ID);
        id2url.put(GLOBAL_ID, url);
        return "http://tiny.url/" + idToShortKey(GLOBAL_ID);
    }

    /**
     * @param url a short url starts with http://tiny.url/
     * @return a long url
     */
    public String shortToLong(String url) {
        String short_key = getShortKey(url);
        int id = shortKeytoID(short_key);
        return id2url.get(id);
    }
}

因为要用到自增 id，所以只能用关系型 DB 表：

id主键、long url（索引）

4 Scale

如何提高响应速度，和直接打开原链接一样的效率。

明确，这是个读多写少业务。

4.1 缓存提速（Cache Aside）

缓存需存储两类数据：

• long2short（生成新 short url 需要）
• short2long（查询 short url 时需要）

4.2 CDN

利用地理位置信息提速。

优化服务器访问速度：

• 不同地区，使用通不同 web 服务器
• 通过 dns 解析不同地区用户到不同服务器

优化数据访问速度

• 使用中心化的 MySQL+分布式的 Redis
• 一个 MySQL 配多个 Redis，Redis 跨地区分布

4.3 何时需要多台 DB 服务器

cache 资源不够或命中率低

写操作过多

越来越多请求无法通过 cache 满足

多台DB服务器可以优化什么?

• 解决存不下：存储
• 解决忙不过：qps

那么 tiny url 的主要问题是啥？存储是没问题的，重点是 qps。那么，如何 sharding 呢?

垂直拆分：将多张表分别分配给多台机器。对此不适用，只有两列，无法再拆分。

横向拆分：

若id、shortURL 做分片键：

• long2short 查询时，只能广播给 N 台 db 都去查询
• 为何要查 long2short？避免重复创建呀
• 若不需要避免重复创建，则这样可行

用 long url 做分片键：

short2long 查询时，只能广播给 N 台 DB 查询。

4.3.1 分片键选择

若一个 long 可对应多个 short

• 使用 cache 缓存所有 long2short
• 在为一个 long url 创建 short url 时，若 cache miss，则创建新 short

若一个 long 只能对应一个 short

• 若使用随机生成算法

• 两张表，一张存储 long2short，一张存储short2long

• 每个映射关系存两份，则能同时支持 long2short short2long 查询

• 若使用 base62 进制转换法

• 有个严重问题，多台机器之间如何维护一个全局自增的 id？

• 一般关系型DB只支持在一台机器上实现这台机器上全局自增的 id

4.4 全局自增 id

4.4.1 专用一台 DB 做自增服务

该 DB不存储真实数据，也不负责其他查询。

为避免单点故障，可能需要多台 DB。

4.4.2 使用 zk

但使用全局自增 id 不是解决 tiny url最佳方案。Generating a Distributed Sequence Number

4.5 基于 base62 的分片策略

Hash(long_url)%62作为分片键

并将 hash(long_url)%62直接放到 short url

若原来的 short key 是 AB1234，则现在的 short key 是

• hash(long_url) % 62 + AB1234
• 若 hash(long_url)%62=0，那就是0AB1234

这样，就能同时通过 short、long 得到分片键。

缺点：DB 的机器数目不能超过 62。

所以，最后最佳架构：

4.6 还能优化吗？

web server 和 database 之间的通信。

中心化的服务器集群和跨地域的 web server 之间通信较慢：如中国的 Server 需访问美国的 DB。

为何不让中国的 Server 访问中国的 DB 呢?

若数据重复写到中国 DB，如何解决一致性问题？很难解决！

思考用户的习惯：

• 中国用户访问时，会被 DNS 分配中国的服务器

• 中国用户访问的网站一般都是中国的网站

• 所以可按网站的地域信息来 sharding

• 如何获得网站的地域信息？只需将用户常访问的网站汇总在一张表。

• 中国用户访问美国网站咋办?

• 就中国 server 访问美国 db，也不会慢太多

• 中访中是用户主流，优化系统就是针对主要需求

于是，得到最终架构：

还可以维护一份域名白名单，访问对应地域的 DB。

5 用户自定义短链接

实现一个顾客短网址，使得顾客能创立他们自己的短网址。即你需要在前文基础上再实现一个 createCustom。

需实现三个方法：

• long2Short(url) 把一个长网址转换成一个以http://tiny.url/开头的短网址
• short2Long(url) 把一个短网址转换成一个长网址
• createCustom(url, key) 设定一个长网址的短网址为 http://tiny.url/ + key

注意：

1. long2Short 生成的短网址的key的长度应该等于6 （不算域名和反斜杠）。可以使用的字符只有 [a-zA-Z0-9]。如: abcD9E
2. 任意两个长的url不会对应成同一个短url，反之亦然
3. 如果 createCustom 不能完成用户期望的设定, 那么应该返回 "error", 反之如果成功将长网址与短网址对应，应该返回这个短网址

5.1 基于 Base62

在URLTable里，直接新增一列custom_url记录对应的custom url是否可行？

不可行！对于大部分数据，该列其实都为空，就会浪费存储空间。

新增一个表，存储自定义 URL：CustomURLTable。

创建自定义短链接：在 CustomURLTable 中查询和插入

根据长链接创建普通短链接：

• 先查询CustomURLTable是否存在
• 再在URLTable查询和插入

同前文一样，用两个哈希表处理长网址和短网址之间的相互映射关系。需额外处理的是用户设定的网址与已有冲突时，需返回 "error"。注意：若用户设定的和已有恰好相同，则同样应该返回短网址。

public class TinyUrl2 {
    private HashMap<String,String> s2l = new HashMap<String,String>();
    private HashMap<String,String> l2s = new HashMap<String,String>();
    private int cnt = 0;
    private final StringBuffer tinyUrl = new StringBuffer("http://tiny.url/");
    private final String charset = "qwertyuiopasdfghjklzxcvbnm1234567890QWERTYUIOPASDFGHJKLZXCVBNM";

    private String newShortUrl() {
        StringBuffer res = new StringBuffer();
        for (int i = 0, j = cnt; i < 6; i++, j /= 62)
            res.append(charset.charAt(j % 62));
        cnt++;
        return tinyUrl + res.toString();
    }

    /*
     * @param long_url: a long url
     * @param key: a short key
     * @return: a short url starts with http://tiny.url/
     */
    public String createCustom(String long_url, String key) {
        String short_url = tinyUrl + key;
        if (l2s.containsKey(long_url)) {
            if (l2s.get(long_url).equals(short_url))
                return short_url;
            else
                return "error";
        }
        if (s2l.containsKey(short_url))
            return "error";
        l2s.put(long_url, short_url); 
        s2l.put(short_url, long_url);
        return short_url;
    }

    /*
     * @param long_url: a long url
     * @return: a short url starts with http://tiny.url/
     */
    public String longToShort(String long_url) {
        if (l2s.containsKey(long_url))
            return l2s.get(long_url);
        String short_url = newShortUrl(); 
        l2s.put(long_url, short_url); 
        s2l.put(short_url, long_url);
        return short_url; 
    }

    /*
     * @param short_url: a short url starts with http://tiny.url/
     * @return: a long url
     */
    public String shortToLong(String short_url) {
        if (s2l.containsKey(short_url))
            return s2l.get(short_url);
        return "error";
    }
}

5.2 基于随机生成算法

无需做任何改动，直接把custom url当short url创建即可！

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