如何設計一個短域名系統(tǒng)，把長長的URL轉(zhuǎn)化成短短的鏈接!這個話題在日常開發(fā)中非常常見，比如我們經(jīng)常在社交媒體上看到的那些精簡的短鏈接，背后就是類似的系統(tǒng)在工作。

在確保系統(tǒng) 高可用性和穩(wěn)定性的核心需求下，首先需要深入了解問題的本質(zhì)和設計范圍。通過與面試官的交流，我們明確了幾個關(guān)鍵點：縮短的URL應該是盡可能短的，且僅包含數(shù)字和字符;同時，為簡化操作，我們假設縮短的URL無法進行刪除或更新。

短域名系統(tǒng)的需求背景

我們?yōu)槭裁葱枰逃蛎到y(tǒng)呢?主要有以下幾個原因：

節(jié)省空間：在推特等字符有限的平臺上，短鏈接可以節(jié)省寶貴的字符空間。易于分享：短鏈接更容易記憶和分享。分析與統(tǒng)計：通過短鏈接，可以對訪問量、來源等進行統(tǒng)計分析。設計思路概述

短域名系統(tǒng)的設計核心思路是將一個長URL映射到一個唯一的短鏈接，然后通過這個短鏈接訪問時，能夠還原出原始的長URL，并實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)。具體步驟如下：

生成短鏈接：使用一個放號器(計數(shù)器)為每一個長URL生成一個唯一的編號，然后將這個編號轉(zhuǎn)換為62進制，得到短鏈接的標識。存儲映射關(guān)系：將短鏈接標識與長URL的映射關(guān)系存儲在數(shù)據(jù)庫中(例如Redis或Memcache)。實現(xiàn)重定向：用戶訪問短鏈接時，根據(jù)短鏈接標識查找對應的長URL，并實現(xiàn)302重定向。放號器與62進制轉(zhuǎn)換

首先，我們需要一個放號器，從0開始，每次有新的短鏈接生成請求時，放號器的值就遞增一次。接下來，將這個值轉(zhuǎn)換為62進制表示。為什么是62進制?因為我們使用了a-z、A-Z和0-9，正好62個字符來組成我們的短鏈接標識。

短鏈接生成與存儲

短鏈接生成的核心是將62進制標識與短鏈接服務器的域名結(jié)合，例如：http://t.cn/sBc。一旦生成了這個短鏈接，我們需要將其與對應的長URL存儲在數(shù)據(jù)庫中，以便后續(xù)查詢。

短URL的好處

短信和許多平臺(微博)有字數(shù)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(shù),短鏈接更加簡潔友好.

方便做一些統(tǒng)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(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基礎原理

短URL從生成到使用分為以下幾步.

有一個服務,將要發(fā)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(nèi)容上發(fā)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(nèi)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(guān)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(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:

對應關(guān)系如何存儲?

這個對應數(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?

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,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(nèi)存中做一層緩存,這樣子太浪費了.

但是可以實現(xiàn)一些變種的,來實現(xiàn)部分的一一對應, 比如將最近/最熱門的對應關(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進制,這樣子可以更加有效的縮短URL長度,那么32進制的數(shù)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(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/更少的進制來進一步縮短URL.

高并發(fā)

如果直接存儲在MySQL中,當并發(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(shù)進行計數(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,那么直接獲取對應的短URL進行返回,不需要再進行生成操作.

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)存中進行發(fā)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(fā)放完了之后,批量進行寫入.

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

分布式

上面設計的系統(tǒng)是有單點的,那就是發(fā)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(fā)號器進行發(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,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,服務互相之間基本都不用通信,做好自己的事情就好了.

1. URL縮短服務的開發(fā)與實踐

縮短URL服務是互聯(lián)網(wǎng)上常見的一種工具，它將長URL地址轉(zhuǎn)換為短地址，便于分享、記憶和管理。本章將探討URL縮短服務的設計和實現(xiàn)，我們從構(gòu)建基礎的縮短功能開始，繼而討論如何擴展服務以提供額外的實用功能和性能優(yōu)化。

1.1 URL縮短服務的設計概述

設計URL縮短服務時，首先需要定義核心功能。這個服務將接受一個長的URL，通過某種算法產(chǎn)生一個短的代號，這個代號對應的唯一地址指向原始URL。為了保證唯一性和高效查詢，通常使用數(shù)據(jù)庫來存儲映射關(guān)系，并通過哈希算法實現(xiàn)快速索引。

1.2 縮短算法的實現(xiàn)

實現(xiàn)縮短算法時，有多種方法可以考慮。例如，可以使用基于數(shù)據(jù)庫主鍵的自增ID，也可以采用更復雜的編碼方式，如Base62編碼，將URL映射到一個短字符串。后者需要考慮去重和碰撞問題，但可以生成更短的URL。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)與性能優(yōu)化

為了應對高并發(fā)的訪問，縮短服務的系統(tǒng)架構(gòu)設計需要支持可伸縮性和高可用性?？梢允褂秘撦d均衡器分配流量，使用緩存機制來減少數(shù)據(jù)庫訪問次數(shù)，以及部署多個副本以防單點故障。性能優(yōu)化方面，可以通過代碼和數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化來減少響應時間。

通過后續(xù)章節(jié)，我們將深入探討前端和后端的具體技術(shù)應用，以及如何將URL縮短服務部署到生產(chǎn)環(huán)境中，實現(xiàn)一個穩(wěn)定、高效的網(wǎng)絡服務。

2. 前端開發(fā)技術(shù)應用

2.1 靜態(tài)頁面的構(gòu)建與優(yōu)化

HTML5語義化標簽的應用

隨著Web標準的不斷發(fā)展，HTML5為構(gòu)建更富有語義的網(wǎng)頁提供了更為豐富的標簽。語義化標簽不僅幫助開發(fā)者以更清晰的結(jié)構(gòu)來組織頁面，也使得瀏覽器、搜索引擎以及其他閱讀器能夠更好地理解頁面內(nèi)容。一個典型的HTML5頁面可能會使用到 , , , , 等標簽，這些標簽讓內(nèi)容的層次結(jié)構(gòu)更加明確。

CSS預處理器的使用與優(yōu)勢

CSS預處理器，如Sass、Less和Stylus，為傳統(tǒng)的CSS添加了編程語言的特性，如變量、嵌套規(guī)則、混合(mixin)等，這些特性極大地提高了CSS的可維護性和可擴展性。它們允許開發(fā)者以更模塊化的方式編寫CSS，使得代碼重用變得更加容易，也使得樣式的管理更加集中和高效。

JavaScript ES6+新特性及其在前端開發(fā)中的應用

ECMAScript 6(ES6)引入了大量新特性，旨在簡化JavaScript編程，提高開發(fā)效率。ES6+提供了類(classes)、模塊化(modules)、解構(gòu)賦值(destructuring)、箭頭函數(shù)(arrow functions)等特性，這些特性已經(jīng)成為了現(xiàn)代JavaScript開發(fā)不可或缺的部分。

2.2 前端框架選型與應用

React/Vue框架對比及適用場景

在現(xiàn)代前端開發(fā)中，React和Vue是最受歡迎的兩個前端框架。React由Facebook開發(fā)和維護，其核心是聲明式的組件化開發(fā)，同時利用了虛擬DOM來提高性能。Vue.js則是一個更輕量級的框架，由Evan You創(chuàng)建，它通過簡潔的API和靈活的系統(tǒng)設計，使得開發(fā)者可以輕松上手。

React的優(yōu)點包括強大的社區(qū)支持、豐富的生態(tài)系統(tǒng)以及大量可復用的組件庫。其適用于大型應用的開發(fā)，特別是當應用需要高度定制化和復雜狀態(tài)管理時。而Vue的輕量級和易上手的特點則使得它在中小型企業(yè)應用以及需要快速開發(fā)的項目中更為流行。Vue的響應式系統(tǒng)和單文件組件結(jié)構(gòu)使得開發(fā)更為高效。

選擇React還是Vue，往往取決于團隊的技術(shù)棧偏好、項目復雜度以及開發(fā)時間限制。在決定之前，開發(fā)者需要深入了解兩個框架的特性和社區(qū)資源，以便選擇最符合項目需求的框架。

組件化開發(fā)的最佳實踐

組件化開發(fā)已經(jīng)成為前端開發(fā)的主流實踐，它允許開發(fā)者將界面分割成獨立、可復用的部分。在React和Vue中，組件是構(gòu)建用戶界面的基本單位。

最佳實踐之一是保持組件的單一職責原則，即每個組件應只負責一塊相對獨立的功能。例如，一個博客應用可能包含如下組件：

Header ：用于展示網(wǎng)站頭部信息

ArticleList ：用于展示文章列表

ArticleItem ：用于展示單個文章詳情

Footer ：用于展示網(wǎng)站底部信息

組件之間的交互應通過props和事件處理來實現(xiàn)。Props負責從父組件向子組件傳遞數(shù)據(jù)，事件處理則用于子組件向父組件報告事件，以實現(xiàn)組件間的雙向綁定。

另一個重要的實踐是使用狀態(tài)管理庫，如Redux或Vuex，來管理全局狀態(tài)。這些庫提供了一個中心化的數(shù)據(jù)存儲，可以用于在多個組件間共享狀態(tài)，這對于復雜應用的狀態(tài)管理尤為重要。

前端路由的管理與狀態(tài)管理庫的應用

前端路由庫允許開發(fā)者在不重新加載頁面的情況下，根據(jù)URL的變化來渲染不同的組件視圖。React中常用的路由庫是 react-router-dom ，而Vue中則是 vue-router 。

使用路由庫的好處在于，開發(fā)者可以定義一個路由表，將特定的URL路徑映射到特定的組件上。當用戶點擊導航鏈接或者更改URL時，路由器會根據(jù)路由表來渲染對應的組件。這使得單頁應用(SPA)的用戶體驗更加流暢。

2.3 前端性能優(yōu)化與安全策略

性能優(yōu)化的方法論與實踐技巧

前端性能優(yōu)化是一個全面的主題，它涉及到了從資源加載、執(zhí)行，到頁面渲染和交互的各個方面。性能優(yōu)化的關(guān)鍵原則包括減少HTTP請求的數(shù)量和大小、提高資源加載的速度、優(yōu)化頁面布局、減少重繪和重排以及提高代碼執(zhí)行效率等。

資源合并和壓縮是常見的優(yōu)化技巧。使用工具如Webpack或Gulp可以自動合并和壓縮JavaScript、CSS和圖片資源。代碼分割(code splitting)和懶加載(lazy loading)技術(shù)能夠?qū)貌鸱殖啥鄠€小塊，僅加載用戶當前需要的部分，從而加快了首屏加載速度。

在實現(xiàn)過程中，開發(fā)者可以使用Lighthouse、PageSpeed Insights等工具來分析和優(yōu)化網(wǎng)頁性能。這些工具能提供性能評分，并給出具體的優(yōu)化建議。

前端安全問題及其防范措施

前端安全是一個非常重要的議題，需要開發(fā)者采取多種措施來保護應用免受常見的網(wǎng)絡攻擊，如跨站腳本攻擊(XSS)、點擊劫持(Clickjacking)和跨站請求偽造(CSRF)。

XSS攻擊通常通過在頁面中注入惡意腳本來實現(xiàn)，防范XSS的一個常見方法是使用內(nèi)容安全策略(CSP)。通過設置HTTP頭部中的 Content-Security-Policy ，可以限制網(wǎng)頁中資源的加載來源，并防止未經(jīng)授權(quán)的腳本執(zhí)行。

在真實的系統(tǒng)中，由于內(nèi)存資源的限制和成本考慮，我們選擇使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫來存儲URL映射關(guān)系。更重要的是，我們需要設計合適的 哈希函數(shù)，以確保每一個長URL能夠唯一映射到一個短的哈希值。哈希函數(shù)在URL縮短中扮演著至關(guān)重要的角色，通過科學的設計，確保系統(tǒng)的唯一性和高效性。

此外，我們還考慮了不同長度的hashValue所能支持的最大URL數(shù)量，并最終確定了HashValue的長度為7，以滿足系統(tǒng)的存儲需求。通過采用合理的哈希函數(shù)和API設計，我們能夠構(gòu)建一個安全、高效且易于擴展的短URL服務系統(tǒng)。