后端面试之系统设计-短网址（Short URL）服务怎么设计？

Posted 2022-10-15 码农在新加坡

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了后端面试之系统设计-短网址（Short URL）服务怎么设计？相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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背景

短网址（short url），就是将长网址缩短为一个很短的网址，用户访问这个短网址可以重定向到原本的长网址（还原）。

可能你会问了，短链接有哪些使用场景呢？
事实上你一定见到过短网址，比如短信里面的网址，微博里面的链接。
短网址可以减少文本字数，隐藏链接参数等，有利于短信推广的作用，常用于有字数限制的短信、微博、二维码等场景。

比如我收到以下的短信：

点开短信链接：http://tb.cn/9GLkgHx

对应的实际的网址就是：

http://huodong.m.aliyun.com/act/v3jtax.html?gotoUrl=aliyun%3A%2F%2Fforward%2Ff6b8f0a4fa8cfd25da51a182807d5c25%3Ftarget_%3D%2Fapp%2Fhome%26tab_%3Dconsole

短信里面的那个url就是短网址，而实际的网址却又非常长。我们就需要一个服务去接收短网址，并转换成长网址访问。

我们常见的短网址如下，可以看到，短网址的域名都很短。

微博 http://t.cn/
谷歌 https://goo.gl/
淘宝 http://tb.cn/
等等。。。

原理

实践是最好的老师，我们自己实践一下，看一下浏览器输入短网址转换成具体的长网址的流程。

生成

我们随便选择一个开放的短网址转换服务：

把我的长链接（微信公众号链接）转换成短网址。

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwNzMwNzI1Ng==&mid=2247483810&idx=1&sn=e252816ee1d5fc1358bf77b8146f3dba&chksm=c0da7035f7adf923ce0beef38a729f305e0d1cc8cc3c18cc491b1c37bffc0786962eaac41772&token=2107487666&lang=zh_CN#rd)

如图可以看到：
生成了 https://t.hk.uy/aBpj 的短网址。

访问

浏览器打开这个短网址（同时打开开发者模式）：

一图胜千言，我想你就能明白它的运行原理了。

原理

当我们在浏览器里输入 https://t.hk.uy/aBpj 时

DNS首先解析获得 https://t.hk.uy/aBpj 的 IP 地址
当 DNS 获得 IP 地址以后（比如：1.2.3.4），会向这个地址发送 HTTP GET 请求，查询短码 aBpj
https://t.hk.uy 服务器会通过短码 aBpj 获取对应的普通网址
请求通过 HTTP 301 转到对应的普通网址

301 HTTP状态码
301表示永久重定向，就是说浏览器在拿到服务器返回的这个状态码后会自动跳转到一个新的URL地址，这个地址可以从响应的Location首部中获取。

设计

现在的互联网公司，基本上都会有自己的短网址服务，来解决类似的业务需求，短网址服务一般为公司内部的其他业务提供服务。

我们就来设计一个完整的适合生产环境使用的短网址服务，看一下这个短网址服务的实现需要考虑哪些方面。

短域名

首先会有一个短域名，一般域名也会非常短，为公司普通的域名的一些缩写。

比如: https://ab.cd/

然后生成一个短码， abCD12 映射到正常的网址：https://www.leftpocket.cn/post/redis/multithreading/

那么 https:/ab.cd/abCD12 就是你的短网址。当用户点击这个短链接就自动跳转到正常的网站。

短码设计

首先我们需要设计一个短码，要能负责把长链接转成短码。不同的长链接要能转成不同的短码。
短码一般是由 [a - z, A - Z, 0 - 9] 这62 个字母或数字组成，短码的长度也可以自定义，但一般不超过8位。

我上面生成的是4位短码：有 1440万。 (26+26+10)^4 = 14776336
5位短码：有91亿。(26+26+10)^5 = 916132832
6位短码：568亿。(26+26+10)^6 = 56800235584
7位短码：35216亿。(26+26+10)^6 = 35216亿

以上只是让大家对生成的数量有一个大概的概念。其实6位短码已经足够大部分场景了，我司的线上的短地址服务器使用的是7位。

目前比较流行的生成短码的方式有以下几种：自增ID，摘要算法，随机数，雪花算法。

一、自增ID

利用mysql数据库的自增ID属性，每增加一个短码，就在上次添加的短码ID上加1，然后把10进制的id值，转化成一个62进制的字符串。这样就可以减少长度的目的。

比如十进制的数字 10000000000 转换成62进制就是 aUKYOA，只需要6位就足够了。

二、摘要算法

摘要算法又称哈希算法，它表示输入任意长度的数据，输出固定长度的数据。相同的输入数据始终得到相同的输出，不同的输入数据尽量得到不同的输出。

算法过程：

将长网址md5生成32位签名串,分为4段, 每段8个字节；
对这四段循环处理, 取8个字节, 将他看成16进制串与0x3fffffff(30位1)与操作, 即超过30位的忽略处理；
这30位分成6段, 每5位的数字作为字母表的索引取得特定字符, 依次进行获得6位字符串；
总的md5串可以获得4个6位串；取里面的任意一个就可作为这个长url的短url地址；

这种算法,虽然会生成4个,但是仍然存在重复几率。
虽然几率很小，但是该方法依然存在碰撞的可能性，解决冲突会比较麻烦。不过该方法生成的短码位数是固定的，也不存在连续生成的短码有序的情况。

三、普通随机数

该方法是从62个字符串中随机取出一个6位短码的组合，然后去数据库中查询该短码是否已存在。如果已存在，就继续循环该方法重新获取短码，否则就直接返回。

该方法是最简单的一种实现，不过由于Math.round()方法生成的随机数属于伪随机数，碰撞的可能性也不小。在数据比较多的情况下，可能会循环很多次，才能生成一个不冲突的短码。

四、雪花算法

雪花算法作为分布式ID生成方案，在分布式服务场景下使用方便，生成的ID区间递增。一直被广泛使用。

我们就是使用雪花算法生成的唯一ID。它相比于自增ID不依赖于数据库，同时方便支持分布式，性能更好。

然后根据ID生成62进制的短码，为了避免生成的短码有规律，我们先反转ID，然后再转换成62进制。最终生成的短码是无规律的。避免被恶意识别。

储存方案

我们使用了MySQL作为短码的储存方案。

列名	描述	示例
id	主键ID	1230567012213
short_url	短码，根据雪花算法生成并进行62进制转换	lFdzM7H
original_url	普通网址（原始网址）	https://www.leftpocket.cn/post/redis/multithreading/
url_hash	原始网址的MD5哈希值，方便加索引进行条件查询。查看原始网址是否有存在的短码映射	ABCDEFGH
create_time	创建时间戳	1234567890
expire_time	过期时间戳，可选，可以用定时的脚本来清理过期的数据，降低数据库总体数据量	1234567891