如何设计一个短网址生成服务？

设计一个短网址生成服务涉及将一个长URL转换成一个简短标识，并在用户访问时重定向到原地址的关键机制。这需要处理算法、数据存储、API设计和性能优化。作为一个面试者回答的，我将基于结构化、易懂的方式概述设计步骤，强调算法实现。

核心要求

• 功能需求：
  • 生成唯一短URL（例如：长度7字符以内）。
  • 重定向短URL请求到原始URL（通过HTTP 302或301）。
  • 处理并发、安全和可扩展性。
• 非功能需求：高读性能（重定向频繁）、低延迟、唯一键控制以防止冲突。

设计组成

短网址系统主要分为生成算法、存储设计和访问处理：

1. 算法：生成唯一短字符串（核心）

使用数字-ID转多进制法或哈希截断法来保证唯一性和简短性：

• 自增序列转多进制（Decimal to Base62，首选）：
  • 获取主键ID（自增整数），如数据库中的自增字段；用base62编码将ID转换为字符串（0-9, a-z, A-Z组合），确保长度可变短。
  • 优点：唯一性强、可扩展；缺点：需管理ID序列。参考，如基62转换。
  • 示例Python核心代码片段：

    # Base62编码函数，输入整数，输出短标识字符串
    def base62_encode(num):
        characters = "0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"
        base = len(characters)
        encoded = []
        while num > 0:
            num, remainder = divmod(num, base)
            encoded.append(characters[remainder])
        return ''.join(reversed(encoded))
    

• 哈希算法截取（Alternative）：
  • 应用哈希函数（如MD5或SHA256）到URL，取前部分字符。
  • 优点：不依赖序列；缺点：需冲突处理（重复URL检查）。
  • 参考，MD5可缩减。

2. 存储方案：映射关系

• 数据库设计：MySQL等关系型数据库表存储键值对，优化查找。

   CREATE TABLE url_mapping (
     id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY, -- 自增序列为base62编码依据
     short_token VARCHAR(7) UNIQUE,    -- 短标识，长度受base62
     original_url VARCHAR(2048) NOT NULL,
     created_at DATETIME DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
     expiry_time DATETIME NULL          -- 可处理过期（参考）
   );
  

• 索引策略：在short_token上添加索引加速读取性能。

3. API和系统实现

• 写入处理（长转短）：
• API端点：POST /api/generate
  • 输入：原始URL, 可选参数（如过期时间、API密钥控制权限引用）。
  • 过程：检查URL存在性→生成新ID及转码→存入数据库→返回短URL（域名/ + token）。
• 读取处理（访问重定向）：
• 客户端请求GET 短URL（如domain/r3x2）.
• 服务端响应HTTP 302 Found (临时重定向) 或301（永久），提取token解码或查ID，引导到原URL。
• PHP简单服务核心：

   function generateShortUrl($url) {
     // 伪代码：检测URL、生成短标识，可选哈希实现
     $token = substr(md5($url), 0, 7); // 只示例性，实际优先序列法
     // 存储$token与$url在DB
     // return "https://yourdomain.com/$token";
   }
   // 处理访问路由：parse token and redirect by lookup
  

4. 性能优化

• 高扩展性：分离数据库读写路径（CQRS模型可能），处理数十到数千请求峰值。
• 缓存：引入Redis作为快查层（高频访问查询后缓存映射）。
• 负载平衡：CDN 加速读取请求分发。

5. 安全性和优化

• 相同URL处理：DB查询原URL防止重复创建（添加origin_url索引），节省存储和计算引用。
• 防滥用：API限流和认证（如access token）引用。
• 其他：日志分析（PV/UV监控）、短URL验证确保URL安全。