如何设计短链接系统

短链接平台是一种将较长的网址转换为较短形式的在线服务工具，主要用于分享和流量采集分析，具有较高的时效性。一个短链接系统核心架构有两个功能：短链接生成、短链接跳转，是一个典型的读多写少的系统。

短链接生成

短链接一般6个字符以下，使用Base62编码（数字加字母大小写），本质是是一个UID，用于单向映射一个长连接，所以短链接的生成算法，本质是一个32位UID的生成算法。

考虑分布式系统下的UID生成方案，主流有两种：Hash摘要或分布式ID。接下来对比说明两种算法：

短链接一般在营销活动中使用，常见于短信营销和群聊转发，具有极高的时效性，活动过期即失效。基于这个特征，更倾向于使用Hash摘要算法生成短链接，节省运营开销，且均匀随机性和Hash冲突一定程度上保证了对ID资源的利用率。

使用Hash算法生成短链接的基本流程为：上传原始链接，加上用户信息、时间戳或者随机数，使用Hash算法生成Base62短链接，判断是否存在ID冲突，有ID冲突则重新生成，设置重试次数。

坑点：需要注意Hash算法的选择和计算因子的选择，由于一个长链接可能会生成多个短链接（比如一个活动链接可能需要生成多个短链接用于不同的营销渠道），所以Hash计算时需要加上一些随机变量用于避免哈希冲突。

当然，对于财大气粗的系统，分布式ID是一个更方便的方案，首先不需要考虑ID冲突的问题，其次分布式ID在部分情况下也可以作为订单号进行唯一标识和记录。

短链接存储

短链接发布表设计如下：

CREATE TABLE short_url (
    id BIGINT AUTO_INCREMENT COMMENT '主键ID',
    short_code VARCHAR(6) NOT NULL COMMENT '短链接编码',
    original_url TEXT NOT NULL COMMENT '原始链接',
    user_id INT NOT NULL COMMENT '创建用户',
    create_time DATETIME DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '创建时间',
    expire_time DATETIME NOT NULL COMMENT '过期时间',
    PRIMARY KEY (id),
    UNIQUE KEY unique_short_code (short_code),
    INDEX idx_user_id (user_id)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COMMENT='短链接映射表';

用于发布有效的短链接，设置定时任务对表中过期的数据进行清除。

坑点：MySQL的DELETE其实是逻辑删除，所以隔一段时间需要Optimize一下。

架构优化

基础的功能其实已经实现完成，但对于这样一个典型的有高并发读要求的系统，性能瓶颈在数据库上是不合适的，所以需要加入一些中间件优化。对于高并发读的要求，我们引入Redis作为缓存层，缓存有效的短链接。

Redis缓存采用冷启动的缓存方案：生成的短链接不会第一时间缓存入Redis，而是在第一次访问的时候，缓存入Redis。支持提前预热，也可以人工进行预热。

需要解决的问题：

• 缓存击穿：热点数据大量访问的时候，由于是冷启动或者缓存已过期，大量请求击穿Redis到达数据库，导致数据压力上升。解决方案：使用分布式锁加 Double Check 的方案，首先以短链接为分布式锁的Key枪锁，抢到后再次查询缓存中是否有记录，没有记录再读数据库，再写缓存。

• 缓存穿透：无效短链接会不断直接穿过Redis访问到数据库，导致数据库压力上升。解决方案：采用布隆过滤器（或者布谷鸟过滤器）加缓存空值的方案。首先在短链接生成时将短链接存入布隆过滤器，当一个没有缓存记录的空链接请求到达时，先查询布隆过滤器，没有记录直接返回（一级缓存）；如果布隆过滤器中有记录，再查询空值缓存，有记录则直接返回（二级缓存）；最后查询数据库，分布式锁加 Double Check 写入空值缓存记录。

• 缓存雪崩：大量缓存记录同时过期，导致Redis性能下降。解决方案：基于实践经验，短链接80%的访问都集中在前20%的时间，所以在缓存时采用随机过期时间，缓存中的记录过期时间随机为短链接有效时间的20%~25%。

• 空值覆盖：新生成的短链接刚好在已经存在空值缓存中，导致新生成的短链接无法访问。解决方案：由于这个概率太低了，去特别做优化不太合理，设计为对空值缓存的过期时间限制在1~3分钟左右，允许略微降低用户的体验。

• 布隆过滤器无法删除记录：虽然在系统中短链接过期，但在布隆过滤器中已过期的记录无法删除，严重影响过滤器性能。解决方案：可以换用布谷鸟过滤器。如果要使用Redis原生的布隆过滤器，可以采用新旧过滤器循环的机制：如果短链接的最长过期时间为15天，则以15天为周期，记两个过滤器为BF-0和BF-1，当BF-0使用超过15天时，则删除前一个旧过滤器BF-1，将BF-0设置为BF-1，并新增过滤器BF-0。写入时采用双写，判断以BF-1为标准。保证所有有效短链接都被记录。

在上述架构下的短链接读写流程为：

短链接生成：原始链接生成短链接，短链接在布隆过滤器中判断（需要调整布隆过滤器的误判率，如果误判率太高了容易浪费性能）是否存在，不存在则写入数据库，存在则进行重试。如果布隆过滤器中不存在，而写入数据库失败，抛出异常。

短链接跳转：短链接跳转请求到达，首先查询Redis中缓存记录用于快速响应。没有记录则执行空值查询逻辑，最后执行写缓存逻辑。