从0到1构建自己的短链接系统

1. 短链系统简介

1.1 短链系统的定义与用途

短链系统是指将一个较长的URL地址，通过特定的算法生成一个较短的、具备唯一性的URL地址。这种系统广泛应用于社交网络、短信、邮件营销等场景，它能帮助用户在字数受限的情况下分享链接，并且还具有一定的数据统计与分析功能。

1.2 短链系统的核心功能

一个完善的短链系统通常包括以下核心功能：

  • 短链接生成：将长链接转换成短链接，并保证短链接的唯一性与高效性。
  • 短链接访问：通过短链接重定向到原始长链接，保证用户能访问到目标地址。
  • 数据统计：统计每个短链接的点击次数、IP、来源等数据，方便后续的分析和优化。
  • 链接管理：提供接口或后台系统，便于用户管理和查看生成的短链接。

1.3 短链系统的架构设计概述

为了实现上述功能，我们需要对系统的架构进行详细设计，系统各部分的职责与协作模式需要明确。总体上，短链系统的架构可以分为以下几个部分：

  • API层：提供生成短链接和解析短链接的接口。
  • 服务层：处理短链接的生成与解析逻辑。
  • 数据层：负责长链接与短链接的存储及管理，可以使用数据库或者缓存系统。
  • 缓存层：提高系统性能，常用缓存系统如Redis可以在短链频繁被访问时减少直接数据库查询的压力。

2. 系统设计

在设计一个短链系统时，我们需要考虑到短链接的生成算法、数据存储方案以及短链接的访问与解析流程。合理的设计能确保系统的稳定性和高效性。

  • 短链接生成时序图

file

  • 短链接解析时序图

file

2.1 短链接生成算法

短链接的生成是短链系统的核心功能之一，设计一个高效的生成算法至关重要。在这里我们介绍两种常用的算法：哈希算法和Base62编码。

2.1.1 哈希算法

哈希算法通过对长链接进行哈希计算，生成一个固定长度的字符串。常用的哈希算法有MD5、SHA-1等。哈希算法简单高效，但由于哈希比特位较长而不适用于直接生成短链接。为了获得更短的链接，我们通常需要结合Base62编码使用。

import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;public class HashUtil {public static String getMD5(String url) {try {MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");byte[] array = md.digest(url.getBytes());StringBuilder sb = new StringBuilder();for (byte b : array) {sb.append(String.format("%02x", b));}return sb.toString();} catch (NoSuchAlgorithmException e) {e.printStackTrace();return null;}}
}

2.1.2 Base62编码

Base62编码是一种将字节数组转换为可读字符串的技术，它使用62个字符（0-9, a-z, A-Z）表示不同的值。Base62编码生成的字符串较短，非常适合作为短链接。
以下是Base62编码的示例代码：

public class Base62 {private static final String BASE62 = "0123456789ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz";public static String encode(long value) {StringBuilder sb = new StringBuilder();while (value != 0) {sb.append(BASE62.charAt((int) (value % 62)));value /= 62;}return sb.reverse().toString();}public static long decode(String shortLink) {long result = 0;for (char c : shortLink.toCharArray()) {result = result * 62 + BASE62.indexOf(c);}return result;}
}

2.2 数据存储方案

选择合适的数据存储方案对于短链系统的性能和稳定性至关重要。常用的存储方案有关系数据库和NoSQL数据库。

2.2.1 NoSQL数据库选择

考虑到短链系统需要高并发和快速读写的特性，NoSQL数据库是一个不错的选择。常用的NoSQL数据库有Redis、MongoDB等。
在这里，我们选择Redis作为存储方案，因其高效的读写性能和丰富的数据类型支持。

2.2.2 数据库表设计

在设计数据库表时，我们需要考虑到短链接与长链接的映射关系。一个简单的设计如下：

  • 短链接表 (ShortLink)：用于存储短链接与长链接的映射关系。
  • id：自增主键
  • short_link：短链接
  • long_link：长链接
  • create_time：创建时间
  • expire_time：过期时间（可选）
CREATE TABLE ShortLink (id BIGINT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,short_link VARCHAR(10) NOT NULL,long_link TEXT NOT NULL,create_time TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,expire_time TIMESTAMP
);

2.3 短链接访问与解析

短链系统在生成短链接后，还需处理短链接的访问与解析。

2.3.1 短链访问流程

当用户访问一个短链接时，系统需要解析该短链接并重定向到对应的长链接。流程如下：

  • 1.接收到短链接访问请求。
  • 2.查找短链接对应的长链接（缓存优先，缓存未命中则访问数据库）。
  • 3.将请求重定向到长链接。

2.3.2 缓存机制

为提升访问速度和减轻数据库压力，我们可以引入缓存机制。常用缓存系统如Redis 允许我们快速查找短链接。缓存机制的设计包括：

  • 缓存策略：使用设置超时时间的LRU策略。
  • 缓存更新：生成短链接时将映射关系写入缓存。
public class ShortLinkService {private final RedisTemplate<String, String> redisTemplate;private final ShortLinkRepository shortLinkRepository; // 假设有一个Repository处理数据库操作public ShortLinkService(RedisTemplate<String, String> redisTemplate, ShortLinkRepository shortLinkRepository) {this.redisTemplate = redisTemplate;this.shortLinkRepository = shortLinkRepository;}public String getLongLink(String shortLink) {String longLink = redisTemplate.opsForValue().get(shortLink);if (longLink == null) {// 缓存未命中，从数据库查找longLink = shortLinkRepository.findLongLinkByShortLink(shortLink);if (longLink != null) {// 更新缓存redisTemplate.opsForValue().set(shortLink, longLink);}}return longLink;}
}

3. 系统实现

在这一章节中，我们将详细讲解如何在Java中设计并实现一个短链系统。从项目初始化到各个功能模块的具体实现，都会详细阐述。

3.1 项目初始化与环境搭建

首先，我们需要创建一个新的Spring Boot项目，并进行基本的环境配置。

  • 项目目录结构
short-url/
├── src/
│   ├── main/
│   │   ├── java/com/example/shorturl/
│   │   │   ├── controller/
│   │   │   ├── entity/
│   │   │   ├── repository/
│   │   │   ├── service/
│   │   │   ├── ShortUrlApplication.java
│   │   ├── resources/
│   │   │   ├── application.properties
│   │   │   ├── schema.sql
│   │   │   ├── data.sql
└── pom.xml
  • 依赖管理

在pom.xml文件中添加必要的依赖，包括Spring Boot、Spring Data JPA、Redis等。

<dependencies><dependency><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId></dependency><dependency><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId>spring-boot-starter-data-jpa</artifactId></dependency><dependency><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId></dependency><dependency><groupId>org.projectlombok</groupId><artifactId>lombok</artifactId><scope>provided</scope></dependency><dependency><groupId>mysql</groupId><artifactId>mysql-connector-java</artifactId></dependency>
</dependencies>
  • 配置文件

在application.properties中配置数据库和Redis连接信息：

spring.datasource.url=jdbc:mysql://localhost:3306/short_url?useUnicode=true&characterEncoding=UTF-8&serverTimezone=UTC&useSSL=false
spring.datasource.username=root
spring.datasource.password=yourpasswordspring.redis.host=localhost
spring.redis.port=6379

3.2 实体类设计

设计短链接与长链接映射的实体类。

package com.example.shorturl.entity;import javax.persistence.*;
import java.time.LocalDateTime;@Entity
@Table(name = "short_link")
public class ShortLink {@Id@GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY)private Long id;@Column(name = "short_link", nullable = false, unique = true)private String shortLink;@Column(name = "long_link", nullable = false)private String longLink;@Column(name = "create_time", nullable = false)private LocalDateTime createTime;@Column(name = "expire_time")private LocalDateTime expireTime;// Getters and Setters
}

3.3 服务层实现

服务层负责核心业务逻辑的实现，包括短链接的生成和解析。

3.3.1 短链接生成服务

实现短链接生成服务，包括长链接输入、短链接生成以及数据存储。

package com.example.shorturl.service;import com.example.shorturl.entity.ShortLink;
import com.example.shorturl.repository.ShortLinkRepository;
import com.example.shorturl.util.Base62;
import com.example.shorturl.util.HashUtil;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Service;import java.time.LocalDateTime;@Service
public class ShortLinkService {@Autowiredprivate ShortLinkRepository shortLinkRepository;@Autowiredprivate RedisTemplate<String, String> redisTemplate;public String createShortLink(String longLink) {String md5Hash = HashUtil.getMD5(longLink);String shortLink = Base62.encode(md5Hash.hashCode());ShortLink link = new ShortLink();link.setShortLink(shortLink);link.setLongLink(longLink);link.setCreateTime(LocalDateTime.now());shortLinkRepository.save(link);redisTemplate.opsForValue().set(shortLink, longLink);return shortLink;}public String getLongLink(String shortLink) {String longLink = redisTemplate.opsForValue().get(shortLink);if (longLink == null) {ShortLink link = shortLinkRepository.findByShortLink(shortLink);if (link != null) {longLink = link.getLongLink();redisTemplate.opsForValue().set(shortLink, longLink);}}return longLink;}
}

3.3.2 短链接解析服务

短链接解析服务负责通过短链接获取对应的长链接，并实现缓存机制。

package com.example.shorturl.service;import com.example.shorturl.entity.ShortLink;
import com.example.shorturl.repository.ShortLinkRepository;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.data.redis.core.RedisTemplate;
import org.springframework.stereotype.Service;import java.util.concurrent.TimeUnit;@Service
public class ShortLinkService {@Autowiredprivate RedisTemplate<String, String> redisTemplate;@Autowiredprivate ShortLinkRepository shortLinkRepository;public String getLongLink(String shortLink) {// 从Redis缓存中获取长链接String longLink = redisTemplate.opsForValue().get(shortLink);if (longLink == null) {// 缓存未命中，从数据库查找ShortLink link = shortLinkRepository.findByShortLink(shortLink);if (link != null) {longLink = link.getLongLink();// 将长链接存放到缓存中，有效期为24小时redisTemplate.opsForValue().set(shortLink, longLink, 24, TimeUnit.HOURS);}}return longLink;}
}

3.4 控制层实现

控制层负责处理HTTP请求，将请求数据传递给服务层，并返回结果。

3.4.1 创建短链接的API

实现创建短链接的API，将长链接转化为短链接并返回。

package com.example.shorturl.controller;import com.example.shorturl.service.ShortLinkService;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.*;@RestController
@RequestMapping("/api")
public class ShortLinkController {@Autowiredprivate ShortLinkService shortLinkService;@PostMapping("/shorten")public String createShortLink(@RequestParam String longLink) {return shortLinkService.createShortLink(longLink);}
}

3.4.2 访问短链接的API

实现访问短链接的API，通过短链接获取长链接并重定向。

package com.example.shorturl.controller;import com.example.shorturl.service.ShortLinkService;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.*;import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import java.io.IOException;@RestController
@RequestMapping("/s")
public class RedirectController {@Autowiredprivate ShortLinkService shortLinkService;@GetMapping("/{shortLink}")public void redirect(@PathVariable String shortLink, HttpServletResponse response) throws IOException {String longLink = shortLinkService.getLongLink(shortLink);if (longLink != null) {response.sendRedirect(longLink);} else {response.sendError(HttpServletResponse.SC_NOT_FOUND);}}
}

3.5 缓存层实现

使用Redis实现缓存，提升系统性能。

3.5.1 使用Redis进行缓存

在服务层使用Redis对长链接进行缓存。

@Autowired
private RedisTemplate<String, String> redisTemplate;

3.5.2 缓存策略

采用LRU策略，实现缓存有效期设置为24小时。

redisTemplate.opsForValue().set(shortLink, longLink, 24, TimeUnit.HOURS);

4. 系统测试与优化

在完成短链系统的设计与实现之后，接下来需要对系统进行全面的测试和优化，确保系统的稳定性和高效性。

4.1 单元测试

单元测试是保证系统稳定性的重要环节。通过对各个模块进行单元测试，我们可以验证每个模块的功能是否符合预期。

4.1.1 服务层测试

写一个简单的测试类，对短链接生成服务和解析服务进行测试。

package com.example.shorturl;import com.example.shorturl.service.ShortLinkService;
import org.junit.jupiter.api.Assertions;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;@SpringBootTest
public class ShortLinkServiceTests {@Autowiredprivate ShortLinkService shortLinkService;@Testpublic void testCreateShortLink() {String longLink = "https://www.example.com";String shortLink = shortLinkService.createShortLink(longLink);Assertions.assertNotNull(shortLink);}@Testpublic void testGetLongLink() {String longLink = "https://www.example.com";String shortLink = shortLinkService.createShortLink(longLink);String retrievedLongLink = shortLinkService.getLongLink(shortLink);Assertions.assertEquals(longLink, retrievedLongLink);}
}

4.1.2 控制层测试

使用MockMvc对控制层进行测试，确保API的正确性。

package com.example.shorturl;import com.example.shorturl.controller.ShortLinkController;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.boot.test.autoconfigure.web.servlet.AutoConfigureMockMvc;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;
import org.springframework.http.MediaType;
import org.springframework.test.web.servlet.MockMvc;import static org.springframework.test.web.servlet.request.MockMvcRequestBuilders.post;
import static org.springframework.test.web.servlet.request.MockMvcRequestBuilders.get;
import static org.springframework.test.web.servlet.result.MockMvcResultMatchers.status;@SpringBootTest
@AutoConfigureMockMvc
public class ShortLinkControllerTests {@Autowiredprivate MockMvc mockMvc;@Testpublic void testCreateShortLink() throws Exception {mockMvc.perform(post("/api/shorten").contentType(MediaType.APPLICATION_FORM_URLENCODED).param("longLink", "https://www.example.com")).andExpect(status().isOk());}@Testpublic void testRedirect() throws Exception {String shortLink = mockMvc.perform(post("/api/shorten").contentType(MediaType.APPLICATION_FORM_URLENCODED).param("longLink", "https://www.example.com")).andReturn().getResponse().getContentAsString();mockMvc.perform(get("/s/" + shortLink)).andExpect(status().is3xxRedirection());}
}

4.2 性能优化

在完成基本功能和测试之后，我们需要对系统进行性能优化，以提高其在高并发环境下的响应速度和稳定性。

4.2.1 数据库优化

针对数据库的优化，可以考虑以下几种方法：

  • 索引优化：为短链接和长链接表添加合适的索引，提高查询效率。
CREATE INDEX idx_short_link ON short_link(short_link);
CREATE INDEX idx_long_link ON short_link(long_link);
  • 读写分离：使用主从复制和读写分离技术，将读操作分散到从库，从而减轻主库压力。

4.2.2 缓存优化

缓存是提升系统性能的重要手段，通过合理利用缓存，可以减少数据库查询次数，提高系统的响应速度。

  • 缓存穿透：对每个访问短链接的请求进行缓存，防止缓存穿透。如果短链接不存在，可以缓存一个特殊的值（如空字符串），并设置合理的过期时间。
public String getLongLink(String shortLink) {String longLink = redisTemplate.opsForValue().get(shortLink);if (longLink == null) {longLink = shortLinkRepository.findByShortLink(shortLink);if (longLink != null) {redisTemplate.opsForValue().set(shortLink, longLink, 24, TimeUnit.HOURS);} else {// 缓存空结果，防止缓存穿透redisTemplate.opsForValue().set(shortLink, "", 1, TimeUnit.HOURS);}}return "".equals(longLink) ? null : longLink;
}
  • 缓存雪崩：通过设置不同的缓存过期时间，避免大量缓存同时失效导致的缓存雪崩问题。
random = new Random();
long expireTime = 24 + random.nextInt(12); // 设置24-36小时的随机有效时间
redisTemplate.opsForValue().set(shortLink, longLink, expireTime, TimeUnit.HOURS);
  • 热点缓存：对于访问频率高的短链接，可以采用更长的缓存有效时间，减少缓存的频繁刷新。
if (isHotLink(shortLink)) {redisTemplate.opsForValue().set(shortLink, longLink, 72, TimeUnit.HOURS); // 热点链接缓存72小时
} else {redisTemplate.opsForValue().set(shortLink, longLink, 24, TimeUnit.HOURS); // 普通链接缓存24小时
}// 判断是否为热点链接的简单实现
private boolean isHotLink(String shortLink) {// 这里可以根据访问频率或其他指标来判断return shortLink.startsWith("hot");
}

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