什么是短鏈系統(tǒng)？先讓我們來看一張耳熟能詳?shù)膱D片：

點擊短信里“藍(lán)色字體”，就能跳轉(zhuǎn)到一個網(wǎng)頁，其背后的秘密就是一套完整的短鏈系統(tǒng)，今天我們就來深入探討如何設(shè)計一套高性能短鏈服務(wù)！

上圖中那串藍(lán)色字符，有個專業(yè)的術(shù)語叫做“短鏈”，它可以是一個鏈接地址，也可以設(shè)計成二維碼。

一、為什么要用短鏈？

存在即合理，這里列舉 3個主要原因。

1.相對安全

短鏈不容易暴露訪問參數(shù)，生成方式可以完全迎合短信平臺的規(guī)則，能夠有效地規(guī)避關(guān)鍵詞、域名屏蔽等風(fēng)險，而原始 URL地址，很可能因為包含特殊字符被短信系統(tǒng)誤判，導(dǎo)致鏈接無法跳轉(zhuǎn)。

2.美觀

對于精簡的文字，似乎更符合美學(xué)觀念，不太讓人產(chǎn)生反感。

3.平臺限制

短信發(fā)送平臺有字?jǐn)?shù)限制，在整條短信字?jǐn)?shù)不變的前提下，把鏈接縮短，其他部分的文字描述就能增加，這樣似乎更能達(dá)到該短信的實際目的（比如，營銷）。

二、短鏈的組成

如下圖，短鏈的組成通常包含兩個部分：域名 + 隨機碼

短鏈的域名最好和其他業(yè)務(wù)域名分開，而且要盡量簡短，可以不具備業(yè)務(wù)含義（比如：xyz.com），因為短鏈大部分是用于營銷，可能會被三方平臺屏蔽。

短鏈的隨機碼需要全局唯一，建議 10位以下。

三、短鏈跳轉(zhuǎn)的原理

首先，我們先看一個短鏈跳轉(zhuǎn)的簡單例子，如下代碼，定義了一個 302重定向的代碼示例：

import org.springframework.stereotype.Controller;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.PathVariable;
import org.springframework.web.servlet.view.RedirectView;

@Controller
public class RedirectController {

  @GetMapping("/{shortCode}")
  public RedirectView redirect(@PathVariable String shortCode) {
    String destUrl = "https://yuanjava.com";
    // destUrl = getDestUrlByShortCode(shortCode); //真實的業(yè)務(wù)邏輯
    return new RedirectView(destUrl);
  }
}

接著，在瀏覽器訪問短鏈"http://127.0.0.1:8080/s2TYdWd" 后，請求會被重定向到 https://yuanjava.com ，下圖為瀏覽器控制臺信息：

從上圖，我們看到了 302狀態(tài)碼并且請求被 Location到另外一個 URL，整個交互流程圖如下：

是不是有一種偷梁換柱的感覺？？？

最后，總結(jié)下短鏈跳轉(zhuǎn)的核心思想：

• 生成隨機碼，將隨機碼和目標(biāo) URL（長鏈）的映射關(guān)系存入數(shù)據(jù)庫；
• 用域名+隨機碼生成短鏈，并推送給目標(biāo)用戶；
• 當(dāng)用戶點擊短鏈后，請求會先到達(dá)短鏈系統(tǒng)，短鏈系統(tǒng)根據(jù)隨機碼查找出對應(yīng)的目標(biāo) URL，接著將請求 302重定向到目標(biāo) URL（長鏈）；

關(guān)于重定向有 301 和 302兩種，如何選擇？

• 302，代表臨時重定向：每次請求短鏈，請求都會先到達(dá)短鏈系統(tǒng)，然后重定向到目標(biāo) URL（長鏈），這樣，方便短鏈系統(tǒng)做一些統(tǒng)計點擊數(shù)等操作；通常采用 302
• 301，代表永久重定向：第一次請求拿到目標(biāo)長鏈接后，下次再次請求短鏈，請求不會到達(dá)短鏈系統(tǒng)，而是直接跳轉(zhuǎn)到瀏覽器緩存的目標(biāo) URL（長鏈），短鏈系統(tǒng)只能統(tǒng)計到第一次訪問的數(shù)據(jù)；一般不采用 301。

四、如何生成短鏈？

從短鏈組成章節(jié)可以總結(jié)出：短鏈=域名+隨機碼。因此，如何生成短鏈的問題轉(zhuǎn)換成了如何生成一個隨機碼，而且這個隨機碼需要全局唯一。

通常來說有 3種做法：

1.Base62

Base62 表示法是一種基數(shù)為62的數(shù)制系統(tǒng)，包含26個英文大寫字母（A-Z），26個英文小寫字母（a-z）和10個數(shù)字（0-9）。這樣，共有62個字符可以用來表示數(shù)值。如下代碼：

import java.security.SecureRandom;

public class RandomCodeGenerator {
  private static final String CHAR_62 = "0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
  private static final SecureRandom random = new SecureRandom();

  public static String generateRandomCode(int length) {
    StringBuilder sb = new StringBuilder(length);
    for (int i = 0; i < length; i++) {
      int rndCharAt = random.nextInt(CHAR_62.length());
      char rndChar = CHAR_62.charAt(rndCharAt);
      sb.append(rndChar);
    }
    return sb.toString();
  }
}

對于 Base62算法，如果是生成 6位隨機數(shù)有 62^6 - 1 = 56800235583, 568億多，如果是生成 7位隨機數(shù)有 62^7 - 1 = 3521614606208，合計3.5萬億多，足夠使用。

2.Hash算法

Hash算法算法是我們最容易想到的辦法，比如 MD5, SHA-1, SHA-256, MurmurHash, 但是這種算法生成的 Hash算法值還是比較長，常用的做法是把這個 Hash算法值進(jìn)行 62/64進(jìn)行壓縮。

如下代碼，通過 Google的 MurmurHash算法把長鏈 Hash成一個 32位的 10進(jìn)制正數(shù)，然后再轉(zhuǎn)換成62進(jìn)制（壓縮），這樣就可以得到一個 6位隨機數(shù)，

import com.google.common.hash.HashFunction;
import com.google.common.hash.Hashing;
import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class MurmurHashToBase62 {

    private static final String BASE62 = "0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
    public static String toBase62(int value) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        while (value > 0) {
            sb.insert(0, BASE62.charAt(value % 62));
            value /= 62;
        }
        return sb.toString();
    }
    public static void main(String[] args) {
        // 長鏈
        String input = "https://yuanjava.cnposts/short-link-system/design?code=xsd&page=1";
        // 長鏈利用 MurmurHash算法生成 32位 10進(jìn)制數(shù)
        HashFunction hashFunction = Hashing.murmur3_32();
        int hash = hashFunction.hashString(input, StandardCharsets.UTF_8).asInt();
        if (hash < 0) {
            hash = hash & 0x7fffffff; // Convert to positive by dropping the sign bit
        }
        // 將 32位 10進(jìn)制數(shù) 轉(zhuǎn)換成 62進(jìn)制
        String base62Hash = toBase62(hash);
        System.out.println("base62Hash:" + base62Hash);
    }
}

3.全局唯一 ID

比如，很多大中型公司都會有自己全局唯一 ID 的生成服務(wù)器，可以使用這些服務(wù)器生成的 ID來保證全局唯一，也可以使用雪花算法生成全局唯一的ID，再經(jīng)過 62/64進(jìn)制壓縮。

五、如何解決沖突

對于上述3種方法的前 2種：base62 或者 hash，因為都是哈希函數(shù)，所以，不可避免地會產(chǎn)生哈希沖突（盡管概率很低），該怎么解決呢？

要解決沖突，首先要檢測沖突，通常來說有 3種檢測方法。

1.利用數(shù)據(jù)庫鎖

如下，這里以 MySQL數(shù)據(jù)庫為例（也可以保存在 Redis中），表結(jié)構(gòu)如下：

CREATE TABLE `short_url_map` (
  `id` int(11) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `long_url` varchar(160) DEFAULT NULL COMMENT '長鏈',
  `short_url` varchar(10) DEFAULT NULL COMMENT '短鏈',
  `gmt_create` int(11) DEFAULT NULL COMMENT '創(chuàng)建時間',
  PRIMARY KEY (`id`),
  UNIQUE INDEX 'short_url' ('short_url')
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;

首先創(chuàng)建一張長鏈和短鏈的關(guān)系映射表，然后通過給 short_url字段添加唯一鎖，這樣，當(dāng)數(shù)據(jù)插入時，如果存在 Hash沖突（short_url值相等），數(shù)據(jù)庫就會拋錯，插入失敗，因此，可以在業(yè)務(wù)代碼里捕獲對應(yīng)的錯誤，這樣就能檢測出沖突。

也可以先用 short_url去查詢，如果能查到數(shù)據(jù)，說明 short_url存在 Hash沖突了。

對于這種通過查詢數(shù)據(jù)庫或者依賴于數(shù)據(jù)庫唯一鎖的機制，因為都涉及DB操作，所以對數(shù)據(jù)庫是一個開銷，如果流量比較大的話，需要保證數(shù)據(jù)庫的性能。

2.布隆過濾器過濾器

在 DB操作的上游增加一個布隆過濾器，在長鏈生成短鏈后， 先用短鏈在布隆過濾器中進(jìn)行查找，如果存在就代表沖突了，如果不存在，說明 DB里不存在此短鏈，可以插入。對于布隆過濾器的選擇，單機可以采用 Google的布隆過濾器，分布式可以使用 RedisBloom。

整體流程可以抽象成下圖：

檢測出了沖突，需要如何解決沖突？

再 Hash，可以在長鏈后面拼接一個 UUID之類的隨機字符串，然后再次進(jìn)行 Hash，用得出的新值再進(jìn)行上述檢測，這樣 Hash沖突的概率又大大大的降低了。

六、表設(shè)計

在整個短鏈系統(tǒng)中，最核心的表就是 長鏈和短鏈的映射關(guān)系表，表設(shè)計如下：

CREATE TABLE `short_url_map` (
`id` int(11) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`long_url` varchar(160) DEFAULT NULL COMMENT '長鏈',
`short_url` varchar(10) DEFAULT NULL COMMENT '短鏈',
`gmt_create` int(11) DEFAULT NULL COMMENT '創(chuàng)建時間',
  PRIMARY KEY (`id`),
  UNIQUE INDEX 'short_url' ('short_url')
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;

需要對短鏈字段short_url添加一個唯一索引，這樣的話，一方面可以保證 short_url全局唯一，一方面可以通過索引加快以下查詢語句的速度：

select * from short_url_map  where short_url = ?

七、高并發(fā)場景

在流量不大的情況，上述方法怎么折騰似乎都沒有問題，但是，為了架構(gòu)的健壯性，很多時候需要考慮高并發(fā)，大流量的場景，因此架構(gòu)需要支持水平擴(kuò)展，比如：

• 采用微服務(wù)
• 功能模塊分離，比如，短鏈生成服務(wù)和長鏈查詢服務(wù)分離
• 功能模塊需要支持水平擴(kuò)容，比如：短鏈生成服務(wù)和長鏈查詢服務(wù)能支持動態(tài)擴(kuò)容
• 緩解數(shù)據(jù)庫壓力，比如，分區(qū)，分庫分表，主從，讀寫分離等機制
• 服務(wù)的限流，自保機制
• 完善的監(jiān)控和預(yù)警機制

這里給出一套比較完整的設(shè)計思路圖：

八、分庫分表

關(guān)于短鏈和長鏈映射關(guān)系表的分庫分表是一個重點，這里需要詳細(xì)分析。

1.是否需要分庫分表

在做技術(shù)架構(gòu)時，很忌諱過度設(shè)計，因此，對于高并發(fā)場景，是否需要分庫分表，分多少個庫，分多少個表，分庫分表鍵如何選擇等問題都應(yīng)該根據(jù)具體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量進(jìn)行評估。

2.分庫分表鍵需要如何選擇

如果需要分庫分表，庫和表的 PartitionKey 該如何選擇？

方法一：短鏈碼進(jìn)行 hash取模

如下算法，確認(rèn)庫和表的路由規(guī)則：

庫ID = 短鏈的 hash值 % 庫數(shù)量
表ID = 短鏈的 hash值 / 庫數(shù)量  % 表數(shù)量

該方法需要根據(jù)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量以及庫表設(shè)計需要支持幾年的數(shù)據(jù)總量來評估出庫的數(shù)量和表的數(shù)量，另外，因為短鏈數(shù)據(jù)絕大多數(shù)都是一次性的，所以可以對存量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔，這樣可以解決數(shù)據(jù)過多需要擴(kuò)容的問題。

該方案的優(yōu)缺點：

優(yōu)點：

• 分庫分表方式清晰易懂

缺點：

• 擴(kuò)容比較困難，擴(kuò)容時需要遷移大量的數(shù)據(jù)；
• 最開始時就需要把庫和表全部創(chuàng)建好，對于前期數(shù)據(jù)量不多的時候，是一種浪費；

那么，有沒有一種好的方式，可以支持動態(tài)擴(kuò)容而且盡量不牽涉到數(shù)據(jù)的遷移呢？這里我們就要看第二種方案。

方法二：支持動態(tài)擴(kuò)容

通過方法一，我們可以知道，庫和表是動態(tài)計算出來的，能不能我們固定設(shè)置庫和表的標(biāo)號呢？基于這個想法，我們設(shè)計了如下的方案，在隨機碼的前面增加一位代表庫的標(biāo)號，在隨機碼的后面增加一位代表表的標(biāo)號，如下圖：

這樣數(shù)據(jù)庫可以支持62個，每個庫的表可以支持62張表，按照每張表 2000萬條數(shù)據(jù)，支持的總數(shù)據(jù) = 62 * 62 * 2000w = 768.8億，如果還不夠用的話，那可以在隨機碼的前后各增加兩位來表示庫和表，這樣就足夠了。

實現(xiàn)細(xì)節(jié)：

預(yù)先配置分庫分表中庫和表的標(biāo)號，比如：庫標(biāo)號 [0,1,2]，表標(biāo)號 [0,1,2,3]，通過上面的方法獲取到一個隨機碼之后，然后從庫標(biāo)號 [0,1,2]隨機獲取一個標(biāo)號，拼接在隨機碼的前面作為庫標(biāo)識，從表標(biāo)號 [0,1,2,3]隨機獲取一個標(biāo)號，拼接在隨機碼的后面作為表，然后在做分庫分表路由的時候，分別截取第一位和最后一位作為庫和表的路由編號。注意，這里是隨機獲取，也可以使用輪詢算法獲取庫標(biāo)號和表標(biāo)號。

擴(kuò)容：

假如，需要對庫標(biāo)號 [0,1,2]，表標(biāo)號 [0,1,2,3]進(jìn)行擴(kuò)容，只需要將標(biāo)號添加進(jìn)去，比如：庫標(biāo)號[0,1,2,3]，表標(biāo)號 [0,1,2,3,4,5]，這樣原始的數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行遷移就完成了庫容操作。

該方案的優(yōu)缺點：

優(yōu)點：

• 支持動態(tài)擴(kuò)容
• 動態(tài)擴(kuò)容時不需要遷移數(shù)據(jù)

缺點

• 需要在隨機碼前后增加庫和表的標(biāo)識，增加了短鏈的長度
• 庫標(biāo)識和表標(biāo)識添加的算法，直接影響數(shù)據(jù)的離散性

總結(jié)

本文從一條客服評價的短信開始，分析了短鏈的構(gòu)成，短鏈跳轉(zhuǎn)的原理，同時也給出了業(yè)內(nèi)的一些實現(xiàn)算法，以及一些架構(gòu)上的建議。

對于業(yè)務(wù)體量小的公司，可以根據(jù)成本來搭建服務(wù)（單機或者少量服務(wù)器做負(fù)載），對于業(yè)務(wù)體量比較大的公司，更多需要考慮到高并發(fā)的場景，如何保證服務(wù)的穩(wěn)定性，如何支持水平擴(kuò)展，當(dāng)服務(wù)出現(xiàn)問題時如何具備一套完善的監(jiān)控和預(yù)警服務(wù)器。

其實，很多系統(tǒng)都是在一次又一次的業(yè)務(wù)流量挑戰(zhàn)下成長起來的，我們需要不斷打磨自己宏觀看架構(gòu)，微觀看代碼的能力，這樣自己也就跟著業(yè)務(wù)，系統(tǒng)一起成長起來了。