短链系统设计（design tiny url）

如脉脉，不会纵容你发太长的网址，会给你转成短链。

1.Scenario 场景

根据一个 long url 生成一个short url。

如 http://www.javaedge.com => 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

• 问日活，如微博100M
• 推算产生一条 tiny url 的 qps

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

平均写 QPS = 100M * 0.1 / 86400 = 100

峰值写 qps = 100 * 2 = 200

• 推算点击一条tiny url的 qps

假设每个用户平均点 1 个tiny url

平均写 QPS = 100M * 1 / 86400 = 1k

峰值读 qps = 1k * 2 = 2k

• deduce 每天产生的新 URL 所占存储

100M * 0.1 = 10M 条

每条 URL 长度平均按 100 算，共 1G

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 /REST 风格Return a http redirect resonseREST 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） returh 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）

• select 选存储结构
• 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shortToLong(url) 把一个短网址转换成一个长网址

标准：

• 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[a-zA-Z0-9]​. 比如: abcD9E
• 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)b作为分片键

并将 hash(long_url)b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)b=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。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/   keycreateCustom(url, key) 设定一个长网址的短网址为 http://tiny.url/   key

注意：

•  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: abcD9Elong2Short 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
• 任意两个长的url不会对应成同一个短url，反之亦然
• 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！

参考：https://www.zhihu.com/question/29270034