面试基础-如何设计一个短链接系统

设计一个每秒处理 100 万个请求（WQPS）的短链系统需要综合考虑性能、可用性和可扩展性。以下是设计方案：

1. 系统架构设计

采用微服务架构，将功能模块化，便于水平扩展和故障隔离。

核心组件：

• 短链生成服务：负责生成唯一的短链。
• 存储层：存储短链与原始 URL 的映射关系。
• API 网关：处理请求路由、负载均衡和限流。
• 监控系统：实时监控性能指标（如 QPS、延迟）。

系统架构图

2. 短链生成算法

为了支持高并发，短链生成需要高效且唯一。

推荐方案：

• 混合加密 + Base62 编码：
  • 使用时间戳、随机数和用户 ID 组合生成唯一标识。
  • 通过 Base62 编码将长整型转换为短字符串（如 abc123）。

示例代码（Python）：

import time

def generate_short_link():
    timestamp = int(time.time())
    random_num = int.from_bytes(os.urandom(4), byteorder='big')
    unique_id = (timestamp << 32) | random_num
    return base62_encode(unique_id)

def base62_encode(num):
    chars = 'abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789'
    result = ''
    while num > 0:
        remainder = num % 62
        result = chars[remainder] + result
        num = num // 62
    return result

3. 存储层设计

存储短链与原始 URL 的映射关系，支持高并发读写。

推荐方案：

• Redis（内存数据库）：
  • 使用哈希表 HSET 和 HGET 存储键值对。
  • 支持高并发读写，延迟低。
• MySQL + 分库分表：
  • Redis 作为缓存层，底层使用 MySQL 持久化存储。

Redis 示例：

# 存储短链与原始 URL 的映射关系
redis-cli HSET short-links abc123 https://example.com

# 查询短链对应的 URL
redis-cli HGET short-links abc123

4. API 网关设计

处理请求路由、负载均衡和限流。

推荐方案：

• Nginx + Lua（OpenResty）：
  • 使用 Nginx 处理高并发请求。
  • 使用 Lua 脚本实现动态路由和限流逻辑。
• Kubernetes Ingress Controller：
  • 如果使用 Kubernetes，可以使用 Istio 或 Envoy 实现 API 网关。

Nginx 配置示例：

events {
    worker_connections 1024;
}

http {
    server {
        listen 80;

        location /api/shorten {
            proxy_pass http://short-link-service:8080;
            proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
        }
    }
}

5. 高可用性和可扩展性

为了支持高并发和高可用，需要设计以下机制：

负载均衡：

• 使用 DNS 轮询、Nginx 或云服务提供商的负载均衡器（如 AWS ELB）。

横向扩展：

• 根据 QPS 自动扩缩容。
• 使用容器化技术（Docker + Kubernetes）部署微服务。

故障恢复：

• 使用 Redis 集群实现高可用性。
• 定期备份 MySQL 数据库。

6. 性能测试和优化

• 使用工具（如 JMeter、Chaos Monkey）模拟高并发场景，测试系统性能。
• 优化热点数据的缓存策略。
• 使用异步处理机制（如消息队列 Kafka）解耦服务。

7. 安全性设计

• 对短链进行加密，防止恶意攻击。
• 限制单个 IP 的请求频率（防 DDoS 攻击）。
• 使用 HTTPS 加密传输数据。

8. 用户体验优化

• 提供 API 文档和 SDK，方便开发者集成。
• 开放短链自定义功能（如用户可以设置自己的短链字符）。

9. 系统监控和日志

• 使用 Prometheus + Grafana 实时监控系统性能。
• 记录访问日志，支持后续分析和审计。

10. 总结

通过以上设计，系统可以在高并发场景下稳定运行，支持每秒 100 万次请求。关键在于选择合适的存储、优化算法以及合理的架构设计。

如果有需要，我可以提供更详细的代码实现或系统部署方案！