如何设计一个高并发短链接服务（如 bit.ly）？
引言：
在社交媒体营销、短信推广等场景中，短链接服务已成为互联网基础设施的关键组件。全球每天有数十亿短链接被创建，如Bitly、TinyURL等服务每天处理数十亿请求。
作为一名拥有 8年经验的Java架构师 ，我曾主导设计过日处理千万级短链接的系统。今天我将从原理到实现，深度解析如何构建一个高性能、高可用、可扩展的短链接服务。
一、业务场景与技术挑战
1.1 核心业务需求
- 短链接生成 ：将长URL转换为短码（如
bit.ly/3xY8zK1） - 短链接跳转：通过短码重定向到原始URL
- 访问统计：记录点击量、来源、设备等信息
- 链接管理：设置有效期、访问密码、API接入等
1.2 技术挑战
| 挑战维度 | 具体问题 |
|---|---|
| 高并发 | 瞬时生成/跳转请求峰值可达10万QPS |
| 低延迟 | 跳转操作需在50ms内完成 |
| 海量数据存储 | 百亿级URL关系存储与快速检索 |
| 短码碰撞 | 避免不同长URL生成相同短码 |
| 防恶意攻击 | 防止短码遍历、刷量等攻击行为 |
二、架构设计核心思路
2.1 整体架构
markdown
客户端 → API网关 → 生成服务 → Redis缓存 → MySQL分库
↓ ↓
→ 跳转服务 → 埋点统计 → Kafka → 数仓2.2 核心组件设计
✅ 短码生成方案对比
| 方案 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 哈希算法 | 生成速度快 | 存在碰撞风险 |
| 自增ID+进制转换 | 无碰撞、长度可控 | 需分布式ID生成器 |
| 预生成号池 | 高性能、零延迟 | 需提前分配、浪费风险 |
推荐方案：分布式ID生成器（Snowflake变体）+ Base62编码
✅ 存储方案选型
arduino
// 短码-长URL映射存储
public class UrlMapping {
private String shortCode; // 短码（主键）
private String originUrl; // 原始URL
private long createTime; // 创建时间
private int expireDays; // 过期天数
private int clickCount; // 点击统计
}存储策略：
- Redis：存储热点映射（TTL自动过期）
- MySQL：持久化全量数据（分库分表）
- 布隆过滤器：快速判断短码是否存在
三、核心实现细节
3.1 短码生成算法
arduino
/**
* 基于Snowflake的分布式ID生成器
*/
public class ShortCodeGenerator {
// 组成：时间戳(41bit) + 机器ID(10bit) + 序列号(12bit)
private static final long EPOCH = 1672531200000L; // 2023-01-01
public String generate(String longUrl) {
long id = snowflake.nextId(); // 获取分布式ID
return base62Encode(id);
}
// Base62编码（0-9a-zA-Z）
private String base62Encode(long num) {
char[] map = "0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ".toCharArray();
StringBuilder sb = new StringBuilder();
while (num > 0) {
sb.append(map[(int)(num % 62)]);
num /= 62;
}
return sb.reverse().toString(); // 如 "3xY8zK1"
}
}3.2 跳转服务核心逻辑
scss
@RestController
public class RedirectController {
@Autowired
private RedisTemplate<String, String> redisTemplate;
@Autowired
private UrlMappingRepository repository;
/**
* 短链接跳转（千万级QPS核心路径）
*/
@GetMapping("/{shortCode}")
public ResponseEntity<Void> redirect(
@PathVariable String shortCode,
HttpServletRequest request) {
// 1. 从Redis查询缓存
String originUrl = redisTemplate.opsForValue().get(shortCode);
// 2. 缓存未命中查询数据库
if (originUrl == null) {
UrlMapping mapping = repository.findByShortCode(shortCode);
if (mapping == null) return ResponseEntity.notFound().build();
originUrl = mapping.getOriginUrl();
// 写入缓存（设置TTL）
redisTemplate.opsForValue().set(shortCode, originUrl, 24, TimeUnit.HOURS);
}
// 3. 异步记录访问日志（非阻塞）
CompletableFuture.runAsync(() ->
trackAccess(shortCode, request)
);
// 4. 返回302重定向
return ResponseEntity.status(HttpStatus.FOUND)
.location(URI.create(originUrl))
.build();
}
// 访问统计埋点
private void trackAccess(String shortCode, HttpServletRequest request) {
AccessLog log = new AccessLog();
log.setShortCode(shortCode);
log.setIp(request.getRemoteAddr());
log.setUserAgent(request.getHeader("User-Agent"));
log.setReferer(request.getHeader("Referer"));
log.setAccessTime(System.currentTimeMillis());
// 发送到Kafka
kafkaTemplate.send("access_log", log);
}
}3.3 防攻击策略
arduino
/**
* 短链安全防护
*/
@Service
public class SecurityService {
// 布隆过滤器（10亿数据，误判率0.1%）
private BloomFilter<String> bloomFilter = BloomFilter.create(
Funnels.stringFunnel(StandardCharsets.UTF_8), 1_000_000_000, 0.001);
/**
* 校验短码合法性
*/
public boolean isValidCode(String shortCode) {
// 1. 长度校验（6-8字符）
if (shortCode.length() < 6 || shortCode.length() > 8)
return false;
// 2. 布隆过滤器校验
if (!bloomFilter.mightContain(shortCode))
return false;
// 3. 频率限制（Redis计数器）
String key = "rate_limit:" + shortCode;
Long count = redisTemplate.opsForValue().increment(key, 1);
redisTemplate.expire(key, 1, TimeUnit.MINUTES);
return count <= 100; // 每分钟最多100次访问
}
}四、性能优化关键点
4.1 缓存策略优化
缓存技巧：
- 热点数据：二级缓存（Caffeine+Redis）
- 缓存穿透：布隆过滤器+空值缓存
- 缓存雪崩：随机TTL（24h ± 2h）
4.2 MySQL分库分表
sql
-- 按短码哈希分表（1024张表）
CREATE TABLE url_mapping_1023 (
id BIGINT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT,
short_code VARCHAR(8) NOT NULL COMMENT '短码',
origin_url VARCHAR(2048) NOT NULL COMMENT '原始URL',
create_time TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
PRIMARY KEY (id),
UNIQUE KEY idx_short_code (short_code) USING BTREE
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4;分片策略：
shard = CRC32(short_code) % 1024
4.3 跳转服务优化
- 零拷贝响应：直接返回HTTP 302避免序列化开销
- 异步日志：访问日志通过Disruptor队列异步处理
- 连接池优化：使用HikariCP配置千级数据库连接池
- CDN边缘计算：全球部署跳转节点减少延迟
五、扩展功能实现
5.1 访问统计看板
typescript
// 基于Flink的实时统计
public class AccessStatsJob {
public static void main(String[] args) {
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.addSource(new FlinkKafkaConsumer<>("access_log", new AccessLogDeserializer(), props))
.keyBy(AccessLog::getShortCode)
.window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.minutes(5)))
.aggregate(new StatsAggregator())
.addSink(new RedisSink());
}
// 聚合统计
private static class StatsAggregator implements AggregateFunction<AccessLog, StatsAcc, StatsResult> {
public StatsAcc createAccumulator() {
return new StatsAcc();
}
public StatsAcc add(AccessLog log, StatsAcc acc) {
acc.count++;
// 按设备/地区/来源统计
return acc;
}
public StatsResult getResult(StatsAcc acc) {
return new StatsResult(acc);
}
}
}5.2 管理功能实现
API示例：
less
@PostMapping("/create")
public ApiResponse createUrl(@RequestBody CreateRequest request) {
// 1. URL规范化处理
String normalizedUrl = UrlUtils.normalize(request.getUrl());
// 2. 检查是否已存在（防重复生成）
String existCode = repository.findByOriginUrl(normalizedUrl);
if (existCode != null) {
return ApiResponse.success(existCode);
}
// 3. 生成短码并存储
String shortCode = generator.generate(normalizedUrl);
repository.save(new UrlMapping(shortCode, normalizedUrl));
return ApiResponse.success(shortCode);
}六、生产环境最佳实践
6.1 监控指标
| 指标类型 | 监控项 | 报警阈值 |
|---|---|---|
| 性能 | 跳转P99延迟 | >100ms |
| 可用性 | 5xx错误率 | >0.1% |
| 数据一致性 | 缓存-数据库不一致率 | >0.01% |
6.2 灾难恢复方案
-
多级备份：
- Redis：AOF持久化+跨机房复制
- MySQL：每日全量备份+Binlog增量
-
降级策略：
- 缓存故障时直接读数据库
- 数据库故障时返回静态页
-
流量调度：DNS故障转移+多AZ部署
架构师思考：
短链接服务看似简单，实则处处暗藏玄机：
算法设计：如何在碰撞概率与性能间取得平衡？
存储优化：百亿级数据如何做到毫秒级查询？
高并发挑战：如何设计无状态服务应对流量洪峰？