先赞后看，Java进阶一大半

小明（化名）坐在密不透风的会议室里，手握着笔，放在桌面上的是满满的两页面试题。

其中一道系统设计题是这样。。。

微博或者短信都有单条发送字数的限制，如果需要分享一个长网址，很容易越出限制，短链服务可以将长网址变成短网址，方便传播。

请设计一个短链服务，要求短网址尽可能短，且保证系统安全和并发能力。

各位hao，我是南哥，相信对你通关面试、拿下Offer有所帮助。

⭐⭐⭐一份南哥编写的《Java学习/进阶/面试指南》：https://github/JavaSouth

1. 短链系统设计

1.1 基础功能

如何设计短链服务最基础、最核心的功能？短链系统把一条长链转换为一条短链，它们之间是一个一对一的关系。这样我们使用Map结构来存储这个对应关系，这里我们用到高性能内存服务器Redis。

这个对应关系同样需要进行物理存储，暂定使用MySQL，先做出一个表设计。

sql
 代码解读
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# 短链数据库表
CREATE TABLE `short_link` (
    `distributed_id` BIGINT UNSIGNED NOT NULL COMMENT '分布式ID',
    `long_url` VARCHAR(2048) NOT NULL,
    `short_code` VARCHAR(10) NOT NULL UNIQUE,
    `created_at` TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
    `expires_at` TIMESTAMP NULL,
    `user_id` BIGINT UNSIGNED,
    `effective_days` INT UNSIGNED COMMENT '有效天数',
    PRIMARY KEY (`distributed_id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4;

上面数据库表的分布式ID有什么用？别急是这样的，每条长链的长短不同、格式不同、组成不同，我们很难保证所有短链生成出来的短链长度、格式一致！

可以这样取巧，每条唯一的长链在进行数据库物理存储时，都会被分配一个唯一的分布式ID。咱们不是根据长链来生成短链，而是根据这个分布式ID来生成短链。

分布式ID由数字组成，把长数字转换为短链，这个技术我们使用MurmurHash非加密型哈希函数算法，当然可选的技术有Base62编码。

南哥给出它们之间的区别。

我们需要保证生成的短链具有唯一性，基于这样的需求，咱们采用第一种MurmurHash来确保生成的hash分布均匀且哈希冲突更少，同时会把该结果进行编码转换为链接字符串。

java
 代码解读
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// 使用MurmurHash转换长链
public class ShortLinkService {

    private static final String BASE_URL = "http://short.url/";

    public String generateShortLink(String longUrl) {
        // 生成分布式ID
        long id = saveLongUrl(longUrl);
        // 使用MurmurHash生成短链
        int hash = MurmurHash3.hash32(id);
        String shortCode = Integer.toString(hash, 36); // Base36编码以生成短链

        return BASE_URL + shortCode;
    }
}

但是！！如果你只回答了上面这一步，那我认为这道题你只能得35分，一个系统不仅仅只要保证基础功能。。。

1.2 稳定性设计

（1）缓存加速读取

稳定性在这套系统设计题的体现是流量高峰期间的一个并发能力，

相对通用且常见的缓存方案，实际上来来去去就那么一套，但各个公司使用的基础架构不同、服务器架构不同，最稳妥是要基于公司实际的架构情况做出最合适当前需求的方案。

南哥在上文有提到把短链、长链的一对一关系存储到Redis，通过Redis缓存技术可以提高访问短链的速度，另外只有热门的短链才有这个待遇，其他非热门短链走下面的流程。

短链系统有 N 个微服务节点，我们在每隔微服务节点都设置了本地缓存，那本地缓存的目标对象是哪些？

我们无需像热门短链一样配置在Redis，这里使用 LRU 算法，下面介绍下。

LRU 算法即最近最少使用算法，为本地缓存设置最大容量，当缓存容量达到阈值时，该算法会把最久没有访问的内容作为替换对象从缓存中删除。保证本地缓存的对象是相对访问量高的短链。

如果一个短链、长链的对应关系需要100字节存储，那 10 MB 本地缓存可以存储 10 w 个长短链对应关系。

java
 代码解读
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// LRU算法使用
public class LRU {
    public static void main(String[] args) {
        LRUMap map = new LRUMap(3);
        map.put(0, 0);
        map.put(1, 1);
        map.put(2, 2);
        System.out.println(map);

        map.get(0);
        System.out.println(map);
        map.put(3, 3);
        System.out.println(map);
    }

    private static class LRUMap extends LinkedHashMap {
        private int max;

        public LRUMap(int max) {
            // accessOrder设置true时，把该get的元素放到队尾
            super((int) (max * 1.4f), 1.75f, true);
            this.max = max;
        }

        // 容量满时，删除队首元素
        @Override
        protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry eldest) {
            return size() > max;
        }
    }
}

shell
 代码解读
复制代码
# 执行结果
{0=0, 1=1, 2=2}
{1=1, 2=2, 0=0}
{2=2, 0=0, 3=3} // 删除了最近最少使用的队首元素1

（2）异步消息实现削峰

短链系统对于用户来说，主要就两个请求。一个是把长链生成短链，另一个是访问短链重定向到长链地址。上文的缓存方案服务的是第二种用户请求，下面我们针对第一种用户请求加上并发支持。

南哥先画出这部分的抽象图。

用户把长链转换请求到短链系统，我们把每一次请求看成一个个消息队列消息，上传到消息队列Kafka中。这里消息队列起到一个流量削峰的作用。

大家可以思考下，如果没有消息队列把一个个任务先缓存起来，而是任由每秒几千 / 上万个请求直接冲击服务器，这很有可能造成服务器崩溃。而队列任务一个个执行则减少了一瞬间需要处理的 N 个任务个数，减少服务器瞬时压力。

但是！！如果你只回答了上面两步，那我认为这道题你只能得70分，一个系统要完善不仅仅需要完成基础功能、保证系统稳定性，还需要保证系统的安全性！

1.3 安全性设计

我们从两方面来考虑安全性的问题：生成短链如何保证安全？访问短链如何保证安全？

一、生成短链

（1）防止用户上传带有敏感性、不合法的链接，我们需要对长链的原始URL进行合法性的检测，如果是非法的链接直接拒绝服务。

java
 代码解读
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// 原始URL合法性检测
public class UrlValidator {
    public boolean isValidUrl(String url) {
        ...
    }
}

（2）防止用户滥用短链生成服务，我们需要对用户每天的可用次数进行限制。

可以根据用户ID查询用户每天生成短链的次数，限制用户生成短链次数；当然用户很聪明，会制造多个小号，我们对同一IP生成短链的频率也加上限制。

使用Nginx对同一IP生成短链的频率进行限制。

shell
 代码解读
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# Nginx对同一IP生成短链的频率限制
http {
    limit_req_zone $binary_remote_addr zone=shortlink_limit:10m rate=1r/s;

    server {
        listen 80;

        location /generate {
            limit_req zone=shortlink_limit burst=5 nodelay;
            proxy_pass http://your_backend_service;
        }
    }
}

二、访问短链

为了防止短链访问被滥用，我们可以为每条短链设置每小时可访问的次数；同时每一条短链与长链的对应关系具有时效性，过期了需要重新生成短链。

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