阿里二面：如何設(shè)計與實現(xiàn)短URL服務(wù)？

https://juejin.im/post/6844903873950269454

想必大家也經(jīng)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

1. 短信和許多平臺(微博)有字?jǐn)?shù)限制 ，太長的鏈接加進(jìn)去都沒有辦法寫正文了.
2. 好看。 比起一大堆不知所以的參數(shù),短鏈接更加簡潔友好.
3. 方便做一些統(tǒng)計。 你點(diǎn)了鏈接會有人記錄然后分析的.
4. 安全。 不暴露訪問參數(shù).

這就是為什么我們現(xiàn)在收到的垃圾短信大多數(shù)都是短URL的原因了.

那么短URL是怎么做到的呢?

短URL基礎(chǔ)原理

短URL從生成到使用分為以下幾步.

1. 有一個服務(wù),將要發(fā)送給你的長URL對應(yīng)到一個短URL上.例如www.baidu.com -> www.t.cn/1
2. 把短URL拼接到短信等的內(nèi)容上發(fā)送.
3. 用戶點(diǎn)擊短URL,瀏覽器用301/302進(jìn)行重定向,訪問到對應(yīng)的長URL.
4. 展示對應(yīng)的內(nèi)容.

本文主要集中于第一步,即如何將一個長URL對應(yīng)到短URL上.

服務(wù)設(shè)計

如果你在往長短URL真實的對應(yīng)關(guān)系上想,那么就走遠(yuǎn)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(zhuǎn)換成短URL.還能保持反向轉(zhuǎn)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(fā)號器,每次有一個新的長URL進(jìn)來,我們就增加一,并且將新的數(shù)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(yīng)關(guān)系如何存儲?

這個對應(yīng)數(shù)據(jù)肯定是要落盤的,不能每次系統(tǒng)重啟就重新排號,所以可以采用mysql等數(shù)據(jù)庫來存儲.而且如果數(shù)據(jù)量小且qps低,直接使用數(shù)據(jù)庫的自增主鍵就可以實現(xiàn).

如何保證長短鏈接一一對應(yīng)?

按照上面的發(fā)號器策略,是不能保證長短鏈接的一一對應(yīng)的,你連續(xù)用同一個URL請求兩次,結(jié)果值都是不一樣的.

為了實現(xiàn)長短鏈接一一對應(yīng),我們需要付出很大的空間代價,尤其是為了快速響應(yīng),我們可以需要在內(nèi)存中做一層緩存,這樣子太浪費(fèi)了.

但是可以實現(xiàn)一些變種的,來實現(xiàn)部分的一一對應(yīng), 比如將最近/最熱門的對應(yīng)關(guān)系存儲在K-V數(shù)據(jù)庫中,這樣子可以節(jié)省空間的同時,加快響應(yīng)速度.

短URL的存儲

我們返回的短URL一般是將數(shù)字轉(zhuǎn)換成32進(jìn)制,這樣子可以更加有效的縮短URL長度,那么32進(jìn)制的數(shù)字對計算機(jī)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(jìn)制的數(shù)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(zhuǎn)換到更多/更少的進(jìn)制來進(jìn)一步縮短URL.

高并發(fā)

如果直接存儲在MySQL中,當(dāng)并發(fā)請求增大,對數(shù)據(jù)庫的壓力太大,可能會造成瓶頸,這時候是可以有一些優(yōu)化的.

緩存

上面保證長短鏈接一一對應(yīng)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(jìn)來的次數(shù)進(jìn)行計數(shù)),最近的長鏈接(可以使用redis保存最近一個小時的)等等進(jìn)行一個緩存,保存在內(nèi)存中或者類似redis的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中,如果請求的長URL命中了緩存,那么直接獲取對應(yīng)的短URL進(jìn)行返回,不需要再進(jìn)行生成操作.

批量發(fā)號

每一次發(fā)號都需要訪問一次MySQL來獲取當(dāng)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(shù)據(jù)庫獲取10000個號碼,然后在內(nèi)存中進(jìn)行發(fā)放,當(dāng)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(fā)放完了之后,批量進(jìn)行寫入.

這樣可以將對數(shù)據(jù)庫持續(xù)的操作移到代碼中進(jìn)行,并且異步進(jìn)行獲取和寫入操作,保證服務(wù)的持續(xù)高并發(fā).

分布式

上面設(shè)計的系統(tǒng)是有單點(diǎn)的,那就是發(fā)號器是個單點(diǎn),容易掛掉.

可以采用分布式服務(wù),分布式的話,如果每一個發(fā)號器進(jìn)行發(fā)號之后都需要同步給其他發(fā)號器,那未必也太麻煩了.

換一種思路,可以有兩個發(fā)號器,一個發(fā)單號,一個發(fā)雙號,發(fā)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(wù),分別發(fā)放0-999尾號的數(shù)字,每次發(fā)號之后遞增1000.這樣做很簡單,服務(wù)互相之間基本都不用通信,做好自己的事情就好了.

實現(xiàn)

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(shù)據(jù)庫中保存短-長URL的映射關(guān)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(jìn)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(jìn)制的數(shù)字轉(zhuǎn)換到其他進(jìn)制
?????*/
????private?String?toOtherBaseString(long?n,?int?base)?{
????????long?num?=?0;
????????if?(n?0)?{
????????????num?=?((long)?2?*?0x7fffffff)?+?n?+?2;
????????}?else?{
????????????num?=?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));
????????}
????}
}