短 URL 服務的設計以及實現
背景
想必大家也經常收到垃圾短信吧……短信中的鏈接一般都是短鏈接，類似于下圖這樣：
為什么這里面的URL都是短的呢?有什么好處呢？怎么做到的呢？
短URL的好處
- 短信和許多平臺(微博)有字數限制 ，太長的鏈接加進去都沒有辦法寫正文了。
- 好看。 比起一大堆不知所以的參數,短鏈接更加簡潔友好。
- 方便做一些統計。 你點了鏈接會有人記錄然后分析的。
- 安全。 不暴露訪問參數。
這就是為什么我們現在收到的垃圾短信大多數都是短URL的原因了。
那么短URL是怎么做到的呢?
短URL基礎原理
短URL從生成到使用分為以下幾步：
- 有一個服務，將要發送給你的長URL對應到一個短URL上.例如www.baidu.com -> www.t.cn/1。
- 把短URL拼接到短信等的內容上發送。.
- 用戶點擊短URL,瀏覽器用301/302進行重定向,訪問到對應的長URL。
- 展示對應的內容。
本文主要集中于第一步,即如何將一個長URL對應到短URL上。
服務設計
如果你在往長短URL真實的對應關系上想，那么就走遠了。
最理想的情況是：我們用一種算法，對每一個長URL，唯一的轉換成短URL。還能保持反向轉換的能力。
但是這是不可能的，如果有這樣的算法，世界上的所有壓縮算法都可以原地去世了。
正確的思路是建立一個發號器，每次有一個新的長URL進來，我們就增加一，并且將新的數值返回。第一個來的URL返回"www.x.cn/0",第二個返回"www.x.cn/1"。
接下來以QA形式寫幾個小問題：
對應關系如何存儲?
這個對應數據肯定是要落盤的，不能每次系統重啟就重新排號，所以可以采用mysql等數據庫來存儲。而且如果數據量小且qps低，直接使用數據庫的自增主鍵就可以實現。
如何保證長短鏈接一一對應?
按照上面的發號器策略，是不能保證長短鏈接的一一對應的，你連續用同一個URL請求兩次,結果值都是不一樣的。
為了實現長短鏈接一一對應，我們需要付出很大的空間代價，尤其是為了快速響應，我們可以需要在內存中做一層緩存，這樣子太浪費了。
但是可以實現一些變種的，來實現部分的一一對應，比如將最近/最熱門的對應關系存儲在K-V數據庫中，這樣子可以節省空間的同時，加快響應速度。
短URL的存儲
我們返回的短URL一般是將數字轉換成32進制，這樣子可以更加有效的縮短URL長度，那么32進制的數字對計算機來說只是字符串，怎么存儲呢？直接存儲字符串對等值查找好找，對范圍查找等太不友好了。
其實可以直接存儲10進制的數字，這樣不僅占用空間少，對查找的支持較好，同時還可以更加方便的轉換到更多/更少的進制來進一步縮短URL。
高并發
如果直接存儲在MySQL中，當并發請求增大，對數據庫的壓力太大，可能會造成瓶頸，這時候是可以有一些優化的。
緩存
上面保證長短鏈接一一對應中也提到過緩存，這里我們是為了加快程序處理速度。可以將熱門的長鏈接(需要對長鏈接進來的次數進行計數)，最近的長鏈接(可以使用redis保存最近一個小時的)等等進行一個緩存，保存在內存中或者類似redis的內存數據庫中，如果請求的長URL命中了緩存，那么直接獲取對應的短URL進行返回，不需要再進行生成操作。
批量發號
每一次發號都需要訪問一次MySQL來獲取當前的最大號碼，并且在獲取之后更新最大號碼，這個壓力是比較大的。
我們可以每次從數據庫獲取10000個號碼，然后在內存中進行發放，當剩余的號碼不足1000時，重新向MySQL請求下10000個號碼，在上一批號碼發放完了之后，批量進行寫入。
這樣可以將對數據庫持續的操作移到代碼中進行，并且異步進行獲取和寫入操作，保證服務的持續高并發。
分布式
上面設計的系統是有單點的，那就是發號器是個單點，容易掛掉。
可以采用分布式服務，分布式的話，如果每一個發號器進行發號之后都需要同步給其他發號器,那未必也太麻煩了。
換一種思路，可以有兩個發號器，一個發單號，一個發雙號，發號之后不再是遞增1，而是遞增2。
類比可得，我們可以用1000個服務，分別發放0-999尾號的數字，每次發號之后遞增1000。這樣做很簡單，服務互相之間基本都不用通信,做好自己的事情就好了。
實現
由于我懶得寫JDBC代碼，更懶得弄Mybatis，所以代碼中使用到MySQL的地方都使用了Redis。
- package util;
- import redis.clients.jedis.Jedis;
- /**
- * Created by pfliu on 2019/06/23.
- */
- public class ShortURLUtil {
- private static final String SHORT_URL_KEY = "SHORT_URL_KEY";
- private static final String LOCALHOST = "http://localhost:4444/";
- private static final String SHORT_LONG_PREFIX = "short_long_prefix_";
- private static final String CACHE_KEY_PREFIX = "cache_key_prefix_";
- private static final int CACHE_SECONDS = 1 * 60 * 60;
- private final String redisConfig;
- private final Jedis jedis;
- public ShortURLUtil(String redisConfig) {
- this.redisConfig = redisConfig;
- this.jedis = new Jedis(this.redisConfig);
- }
- public String getShortURL(String longURL, Decimal decimal) {
- // 查詢緩存
- String cache = jedis.get(CACHE_KEY_PREFIX + longURL);
- if (cache != null) {
- return LOCALHOST + toOtherBaseString(Long.valueOf(cache), decimal.x);
- }
- // 自增
- long num = jedis.incr(SHORT_URL_KEY);
- // 在數據庫中保存短-長URL的映射關系,可以保存在MySQL中
- jedis.set(SHORT_LONG_PREFIX + num, longURL);
- // 寫入緩存
- jedis.setex(CACHE_KEY_PREFIX + longURL, CACHE_SECONDS, String.valueOf(num));
- return LOCALHOST + toOtherBaseString(num, decimal.x);
- }
- /**
- * 在進制表示中的字符集合
- */
- final static char[] digits = {'0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8',
- '9', 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F', 'G', 'H', 'I', 'J', 'K', 'L',
- 'M', 'N', 'O', 'P', 'Q', 'R', 'S', 'T', 'U', 'V', 'W', 'X', 'Y',
- 'Z', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm', 'n', 'o', 'p', 'q', 'r', 's', 't', 'u', 'v', 'w', 'x', 'y', 'z'};
- /**
- * 由10進制的數字轉換到其他進制
- */
- private String toOtherBaseString(long n, int base) {
- long num = 0;
- if (n < 0) {
- num = ((long) 2 * 0x7fffffff) + n + 2;
- } else {
- nnum = n;
- }
- char[] buf = new char[32];
- int charPos = 32;
- while ((num / base) > 0) {
- buf[--charPos] = digits[(int) (num % base)];
- num /= base;
- }
- buf[--charPos] = digits[(int) (num % base)];
- return new String(buf, charPos, (32 - charPos));
- }
- enum Decimal {
- D32(32),
- D64(64);
- int x;
- Decimal(int x) {
- this.x = x;
- }
- }
- public static void main(String[] args) {
- for (int i = 0; i < 100; i++) {
- System.out.println(new ShortURLUtil("localhost").getShortURL("www.baidudu.com", Decimal.D32));
- System.out.println(new ShortURLUtil("localhost").getShortURL("www.baidu.com", Decimal.D64));
- }
- }
- }
