如何实现一个短链接服务

Posted 2021-03-17 rickiyang

短链接，通俗来说，就是将长的URL网址，通过程序计算等方式，转换为简短的网址字符串。

大家经常会收到一些莫名的营销短信，里面有一个非常短的链接让你跳转。新浪微博因为限制字数，所以也会经常见到这种看着不像网址的网址。短链的兴起应该就是微博限制字数激起了大家的创造力。

如果创建一个短链系统，我们应该做什么呢？

1. 将长链接变为短链；
2. 用户访问短链接，会跳转到正确的长链接上去。

查找到对应的长网址，并跳转到对应的页面。

短链生成方法

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。比较常用的都是6位，6位的短码已经能有568亿种的组合：(26+26+10)^6 = 56800235584，已满足绝大多数的使用场景。

目前比较流行的生成短码方法有：自增id、摘要算法、普通随机数。

自增id

该方法是一种无碰撞的方法，原理是，每新增一个短码，就在上次添加的短码id基础上加1，然后将这个10进制的id值，转化成一个62进制的字符串。

一般利用数据表中的自增id来完成：每次先查询数据表中的自增id最大值max，那么需要插入的长网址对应自增id值就是 max+1，将max+1转成62进制即可得到短码。

但是短码 id 是从一位长度开始递增，短码的长度不固定，不过可以用 id 从指定的数字开始递增的方式来处理，确保所有的短码长度都一致。同时，生成的短码是有序的，可能会有安全的问题，可以将生成的短码id，结合长网址等其他关键字，进行md5运算生成最后的短码。

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：

1. 将长网址md5生成32位签名串,分为4段, 每段8个字节；
2. 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；
3. 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；
4. 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。

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。

算法分析

以上算法利弊我们一个一个来分析。

如果使用自增id算法，会有一个问题就是不法分子是可以穷举你的短链地址的。原理就是将10进制数字转为62进制，那么别人也可以使用相同的方式遍历你的短链获取对应的原始链接。打个比方说：http://tinyurl.com/a3300和 http://bit.ly/a3300，这两个短链网站，分别从a3300 - a3399，能够试出来多次返回正确的url。所以这种方式生成的短链对于使用者来说其实是不安全的。

摘要算法，其实就是hash算法吧，一说hash大家可能觉得很low，但是事实上hash可能是最优解。比如：http://www.sina.lt/ 和 http://mrw.so/ 连续生成的url发现并没有规律，很有可能就是使用hash算法来实现。

普通随机数算法，这种算法生成的东西和摘要算法一样，但是碰撞的概率会大一些。因为摘要算法毕竟是对url进行hash生成，随机数算法就是简单的随机生成，数量一旦上来必然会导致重复。

综合以上，我选择最low的算法：摘要算法。

实现

存储方案

数据库存储方案

短网址基础数据采用域名和后缀分开存储的形式。另外域名需要区分 HTTP 和 HTTPS，hash方案针对整个链接进行hash而不是除了域名外的链接。域名单独保存可以用于分析当前域名下链接的使用情况。

增加当前链接有效期字段，一般有短链需求的可能是相关活动或者热点事件，这种短链在一段时间内会很活跃，过了一定时间热潮会持续衰退。所以没有必要将这种链接永久保存增加每次查询的负担。

对于过期数据的处理，可以在新增短链的时候判断当前短链的失效日期，将每天到达失效日期的数据在HBase单独建一张表，有新增的时候判断失效日期放到对应的HBase表中即可，每天只用处理当天HBase表中的失效数据。

数据库基础表如下:

base_url	suffix_url	shot_code	total_click_count	full_url	expiration_date
http://www.aichacha.com	/search/12345	edfg3s		http://www.aichacha.com//search/12345
http://www.aichacha.com	/aiCheck/getResult/123	Fe9dq		http://www.aichacha.com//aiCheck/getResult/123
http://www.baidu.com	/wenku/12354	lcfr53		http://www.baidu.com/wenku/12354

字段释义：

base_url：域名

suffix_url：链接除了域名外的后缀

full_url：完整链接

shot_code：当前 suffix_url 链接的短码

expiration_date：失效日期

total_click_count：当前链接总点击次数

expiration_date：当前链接失效时间

缓存方案

• 查询需求

个人认为对于几百个G的数据量都放在缓存肯定是不合适的，所以有个折中的方案：将最近3个月内有查询或者有新增的url放入缓存，使用LRU算法进行热更新。这样最近有使用的发概率会命中缓存，就不用走库。查不到的时候再走库更新缓存。

• 新增需求

对于新增的链接就先查缓存是否存在，缓存不存在再查库，数据库已经分表了，查询的效率也不会很低。

• 缓存的设计

查询的需求是用户拿着短链查询对应的真实地址，那么缓存的key只能是短链，可以使用 KV的形式存储。

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番外

其实也可以考虑别的存储方案，比如HBase，HBase作为NOSQL数据库，性能上仅次于redis但是存储成本比redis低很多个数量级，存储基于HDFS，写数据的时候会先先写入内存中，只有内存满了会将数据刷入到HFile。读数据也会快，原因是因为它使用了LSM树型结构，而不是B或B+树。HBase会将最近读取的数据使用LRU算法放入缓存中，如果想增强读能力，可以调大blockCache。

其次，也可以使用ElasticSearch，合适的索引规则效果不输缓存方案。

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是否有分库分表的需要？

对于单条数据10b以内，一亿条数据总容量大约为 953G，单表肯定无法撑住这么大的量，所以有分表的需要，如果你对服务很有信心2年内能达到这个规模，那么你可以从一开始设计就考虑分表的方案。

那么如何定义分表的规则呢？

如果按照单表500万条记录来算，总计可以分为20张表，那么单表容量就是47G，还是挺大，所以考虑分表的 key 和单表容量，如果分为100张表那么单表容量就是10G，并且通过数字后缀路由到表中也比较容易。可以对short_code 做encoding编码生成数字类型然后做路由。

如何转跳

当我们在浏览器里输入 http://bit.ly/a3300 时

1. DNS首先解析获得 http://bit.ly的 IP 地址
2. 当 DNS 获得 IP 地址以后（比如：12.34.5.32），会向这个地址发送 HTTP GET 请求，查询短码 a3300
3. [http://bit.ly 服务器会通过短码 a3300 获取对应的长 URL
4. 请求通过 HTTP 301 转到对应的长 URL http://www.theaustralian.news.com.au/story/0,25197,26089617-5013871,00.html。

这里有个小的知识点，为什么要用 301 跳转而不是 302 呐？

知识点：为什么要使用302跳转，而不是301跳转呢？

301是永久重定向，302是临时重定向。短地址一经生成就不会变化，所以用301是符合http语义的。但是如果用了301， Google，百度等搜索引擎，搜索的时候会直接展示真实地址，那我们就无法统计到短地址被点击的次数了，也无法收集用户的Cookie, User Agent 等信息，这些信息可以用来做很多有意思的大数据分析，也是短网址服务商的主要盈利来源。

引自知乎-武林的回答，原文链接

附上两个算法：

摘要算法：

import org.apache.commons.lang3.StringUtils;

import javax.xml.bind.DatatypeConverter;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

import static com.alibaba.fastjson.util.IOUtils.DIGITS;

/**
 * @author rickiyang
 * @date 2020-01-07
 * @Desc TODO
 */
public class ShortUrlGenerator {

    public static void main(String[] args) {
        String sLongUrl = "http://www.baidu.com/121244/ddd";
        for (String shortUrl : shortUrl(sLongUrl)) {
            System.out.println(shortUrl);
        }
    }

    public static String[] shortUrl(String url) {
        // 可以自定义生成 MD5 加密字符传前的混合 KEY
        String key = "dwz";
        // 要使用生成 URL 的字符
        String[] chars = new String[]{"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", "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"
        };
        // 对传入网址进行 MD5 加密
        String sMD5EncryptResult = "";
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
            md.update((key + url).getBytes());
            byte[] digest = md.digest();
            sMD5EncryptResult = DatatypeConverter.printHexBinary(digest).toUpperCase();
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        String[] resUrl = new String[4];
        //得到 4组短链接字符串
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            // 把加密字符按照 8 位一组 16 进制与 0x3FFFFFFF 进行位与运算
            String sTempSubString = sMD5EncryptResult.substring(i * 8, i * 8 + 8);
            // 这里需要使用 long 型来转换，因为 Inteper .parseInt() 只能处理 31 位 , 首位为符号位 , 如果不用 long ，则会越界
            long lHexLong = 0x3FFFFFFF & Long.parseLong(sTempSubString, 16);
            String outChars = "";
            //循环获得每组6位的字符串
            for (int j = 0; j < 6; j++) {
                // 把得到的值与 0x0000003D 进行位与运算，取得字符数组 chars 索引(具体需要看chars数组的长度   以防下标溢出，注意起点为0)
                long index = 0x0000003D & lHexLong;
                // 把取得的字符相加
                outChars += chars[(int) index];
                // 每次循环按位右移 5 位
                lHexLong = lHexLong >> 5;
            }
            // 把字符串存入对应索引的输出数组
            resUrl[i] = outChars;
        }
        return resUrl;
    }

}

数字转为base62算法：

/**
 * @author rickiyang
 * @date 2020-01-07
 * @Desc TODO
 * <p>
 * 进制转换工具，最大支持十进制和62进制的转换
 * 1、将十进制的数字转换为指定进制的字符串；
 * 2、将其它进制的数字（字符串形式）转换为十进制的数字
 */
public class NumericConvertUtils {

    public static void main(String[] args) {
        String str = toOtherNumberSystem(22, 62);
        System.out.println(str);
    }


    /**
     * 在进制表示中的字符集合，0-Z分别用于表示最大为62进制的符号表示
     */
    private static final 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'};

    /**
     * 将十进制的数字转换为指定进制的字符串
     *
     * @param number 十进制的数字
     * @param seed   指定的进制
     * @return 指定进制的字符串
     */
    public static String toOtherNumberSystem(long number, int seed) {
        if (number < 0) {
            number = ((long) 2 * 0x7fffffff) + number + 2;
        }
        char[] buf = new char[32];
        int charPos = 32;
        while ((number / seed) > 0) {
            buf[--charPos] = digits[(int) (number % seed)];
            number /= seed;
        }
        buf[--charPos] = digits[(int) (number % seed)];
        return new String(buf, charPos, (32 - charPos));
    }

    /**
     * 将其它进制的数字（字符串形式）转换为十进制的数字
     *
     * @param number 其它进制的数字（字符串形式）
     * @param seed   指定的进制，也就是参数str的原始进制
     * @return 十进制的数字
     */
    public static long toDecimalNumber(String number, int seed) {
        char[] charBuf = number.toCharArray();
        if (seed == 10) {
            return Long.parseLong(number);
        }

        long result = 0, base = 1;

        for (int i = charBuf.length - 1; i >= 0; i--) {
            int index = 0;
            for (int j = 0, length = digits.length; j < length; j++) {
                //找到对应字符的下标，对应的下标才是具体的数值
                if (digits[j] == charBuf[i]) {
                    index = j;
                }
            }
            result += index * base;
            base *= seed;
        }
        return result;
    }
}