面试题：让你设计一个短链系统，怎么设计？

设计一个短链系统（Short URL System）是一个经典的面试题，涉及高并发、高性能、分布式系统设计等多个方面。以下是设计短链系统的详细思路和实现方案。

1. 需求分析

核心功能

生成短链：将长 URL 转换为短 URL。
访问短链：通过短 URL 重定向到原始长 URL。
高并发支持：支持大量用户同时生成和访问短链。
数据持久化：存储短链和长 URL 的映射关系。

非功能需求

高性能：短链访问需要低延迟。
高可用：系统需要 7×24 小时可用。
可扩展性：支持水平扩展以应对流量增长。
安全性：防止恶意攻击（如短链滥用）。

2. 系统设计

系统架构

客户端：用户通过浏览器或 App 访问短链系统。
API 网关：负责请求路由、负载均衡和限流。
短链生成服务：负责生成短链并存储映射关系。
短链重定向服务：负责根据短链查找原始 URL 并重定向。
存储层：存储短链和长 URL 的映射关系。
缓存层：缓存热门短链，减少数据库访问。

3. 详细设计

短链生成算法

哈希算法：
- 使用哈希函数（如 MD5、SHA-256）对长 URL 进行哈希。
- 取哈希值的前几位作为短链。
- 优点：简单易实现。
- 缺点：可能存在哈希冲突。
自增 ID + 进制转换：
- 使用分布式 ID 生成器（如 Snowflake）生成唯一 ID。
- 将 ID 转换为 62 进制（a-z, A-Z, 0-9）作为短链。
- 优点：无冲突，短链长度可控。
- 缺点：需要分布式 ID 生成器。

存储设计

数据库表结构：

short_code：短链的唯一标识。
long_url：原始长 URL。

expires_at：短链过期时间（可选）。

CREATE TABLE short_urls (
    id BIGINT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    short_code VARCHAR(10) NOT NULL UNIQUE,
    long_url TEXT NOT NULL,
    created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
    expires_at TIMESTAMP
);

缓存设计：
- 使用 Redis 缓存热门短链。
- Key: short_code，Value: long_url。
- 设置缓存过期时间，避免缓存雪崩。

高并发支持

分布式 ID 生成器：
- 使用 Snowflake 算法生成唯一 ID。
- 确保 ID 在分布式环境下唯一。
缓存预热：
- 提前将热门短链加载到缓存中。
- 减少数据库访问压力。
限流与降级：
- 使用 API 网关对请求进行限流。
- 在系统压力过大时，降级部分功能（如短链生成）。

4. 关键问题与解决方案

1. 短链冲突

解决方案：
- 使用唯一 ID 生成器（如 Snowflake）避免冲突。
- 如果使用哈希算法，可以在冲突时追加随机字符。

2. 短链过期

解决方案：
- 在数据库中存储短链的过期时间。
- 定期清理过期短链。

3. 缓存穿透

解决方案：
- 对不存在的短链，缓存空值（如 NULL）。
- 使用布隆过滤器（Bloom Filter）快速判断短链是否存在。

4. 安全性

解决方案：
- 对短链进行校验，防止恶意短链。
- 限制单个用户生成短链的频率。

5. 示例实现

短链生成服务（Java）

import java.util.Base64;
import java.security.MessageDigest;

public class ShortUrlGenerator {

    private static final String BASE62 = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789";

    // 生成短链
    public static String generateShortUrl(String longUrl) {
        try {
            // 使用 MD5 哈希
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
            byte[] hash = md.digest(longUrl.getBytes());
            // 取前 6 位作为短链
            String shortCode = Base64.getUrlEncoder().encodeToString(hash).substring(0, 6);
            return shortCode;
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException("生成短链失败", e);
        }
    }
}

短链重定向服务（Java + Spring Boot）

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.*;
import org.springframework.web.servlet.view.RedirectView;

@RestController
public class ShortUrlController {

    @Autowired
    private ShortUrlService shortUrlService;

    // 访问短链
    @GetMapping("/{shortCode}")
    public RedirectView redirect(@PathVariable String shortCode) {
        String longUrl = shortUrlService.getLongUrl(shortCode);
        if (longUrl == null) {
            throw new RuntimeException("短链不存在");
        }
        return new RedirectView(longUrl);
    }
}

短链服务（Java + Spring Boot）

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Service;
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;

@Service
public class ShortUrlService {

    @Autowired
    private StringRedisTemplate redisTemplate;

    @Autowired
    private ShortUrlRepository shortUrlRepository;

    // 获取长 URL
    public String getLongUrl(String shortCode) {
        // 从缓存中查找
        String longUrl = redisTemplate.opsForValue().get(shortCode);
        if (longUrl != null) {
            return longUrl;
        }
        // 从数据库中查找
        longUrl = shortUrlRepository.findByShortCode(shortCode);
        if (longUrl != null) {
            // 存入缓存
            redisTemplate.opsForValue().set(shortCode, longUrl);
        }
        return longUrl;
    }
}