01 引言

1）背景

这是本人在面试“字节抖音”部门的一道系统设计题，岗位是“后端高级开发工程师”，二面的时候问到的。一开始，面试官笑眯眯地让我做个自我介绍，然后聊了聊项目。

当完美无瑕（吞吞吐吐）地聊完项目，并写了一道算法题之后。

面试官就开始发问了：小伙子，简历里面写到了熟悉架构设计是吧，那你知道程序设计的‘三高’指什么吗？

我心想，那不是由于程序员的系统不靠谱，领导不当人，天天加班改 BUG，导致年纪轻轻都高血脂、高血压和高血糖嘛！

但是，既然是面试，那领导肯定不愿意听这，于是我回答：程序三高，就是系统设计时需要考虑的高并发、高性能和高可用：

• 高并发就是在系统开发的过程中，需要保证系统可以同时并行处理很多请求；

• 高性能是指程序需要尽可能地占用更少的内存和 CPU，并且处理请求的速度要快；

• 高可用通常描述系统在一段时间内不可服务的时候很短，比如全年停机不超过 31.5 秒，俗称 6 个 9，即保证可用的时间为 99.9999%。

于是，面试官微微点头，心想小伙子还行，既然这难不住你，那我可得出大招了，就来道系统设计题吧！

2）需求说明

众所周知，当业务场景需要给用户发送网络地址或者二维码时，由于地址的长度比较长，通常为了占用更少的资源和提升用户体验。例如，谷歌搜索“计算机”词条地址如下：

https://www.google.com/search?q=%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA&ei=KNZ5Y7y4MpiW-AaI4LSACw&ved=0ahUKEwi87MGgnbz7AhUYC94KHQgwDbAQ4dUDCBA&uact=5&oq=%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA&gs_lcp=Cgxnd3Mtd2l6LXNlcnAQAzIECAAQQzIFCAAQgAQyBQgAEIAEMgUIABCABDIFCC4QgAQyBQgAEIAEMgUIABCABDIFCAAQgAQyBQgAEIAEMgUIABCABDoKCAAQRxDWBBCwAzoLCC4QgAQQxwEQ0QM6FggAEOoCELQCEIoDELcDENQDEOUCGAE6BwguENQCEENKBAhBGABKBAhGGABQpBZYzSVglydoA3ABeACAAZ0DiAGdD5IBCTAuNy4xLjAuMZgBAKABAbABCsgBCsABAdoBBAgBGAc&sclient=gws-wiz-serp

很明显，如果将这一长串网址发给用户，是十分不“体面”的。而且，遇到一些有字数限制的系统里面，比如微博发帖子就有字数限制，肯定无法发送这样的长链接地址。一般的短信链接中，大多也都是短链接地址：

所以，为了提升用户体验，以及日常业务的需要。我们需要设计一个短链接生成系统，除了业务功能实现以外，我们还得为全国的网络地址服务。在这么大的用户量下，数据该如何存储，高并发如何处理呢？

02 三种链接生成方法

1）需求分析

我心想，这面试官看着“慈眉善目”还笑眯眯的，但出的题目可不简单，这种类型的系统需要考虑的点太多了，绝对不能掉以轻心。

于是，我分别从链接生成、网址访问、缓存优化和高可用四个方面开始着手设计。

首先，生成短链地址，可以考虑用 UUID 或者自增 ID。对于每一个长链接转短链地址时，都必须生成一个全局唯一的短链值，不然就会发生冲突。所以，短链接的特点是：

• 数据存储量很大，全国的网址每天至少都是百万个短链接地址需要生成；

• 并发量也不小，遇到同时来访问系统，按一天 3600 秒来算，平均每秒至少上千个请求数；

• 短链接不可重复，否则会引起数据访问冲突。

2）雪花算法

首先，生成短链接，可以用雪花算法+哈希的方式来实现。

雪花算法是在分布式场景下，根据时间戳、不同的机器 ID 以及序列号生成的唯一数。它的优点在于简单方便，随取随用。

通过雪花算法取到的唯一数，再用哈希映射，将数字转为一个随机的字符串，如果短链字符串比较长，可以直接取前 6 位。但是，由于哈希映射的结果可能会发生冲突，所以对哈希算法的要求比较高。

2）62 进制数生成短链接

除了雪花算法，还可以用 62 进制数（A-Za-z0-9）来生成短链接地址。首先得到一个自增 ID，再将此值转换为 62 进制（a-zA-Z0-9）的字符串，一个亿的数字转换后也就五六位（1亿 -> zAL6e）。

将短链接服务器域名，与这个字符串进行拼接，就能得到短链接的 URL，比如：t.cn/zAL6e。

而生成自增 ID 需要考虑性能影响和并发安全性，所以我们可以通过 Redis 的 incr 命令来做一个发号器，它是一个原子操作，因此我们不必担心数字的安全性。而 Redis 是内存操作，所以效率也挺高。

3）随机数+布隆过滤器

除了自增 ID 以外，我们还可以生成随机数再转 62 进制的方法来生成短链接。但是，由于随机数可能重复，因此我们需要用布隆过滤器来去重。

布隆过滤器是一个巧妙设计的数据结构，它的原理是将一个值多次哈希，映射到不同的 bit 位上并记录下来。当新的值使用时，通过同样的哈希函数，比对各个 bit 位上是否有值：如果这些 bit 位上都没有值，说明这个数是唯一的；否则，就可能不是唯一的。

当然，这可能会产生误判，布隆过滤器一定可以发现重复的值，但 也可能将不重复的值判断为重复值，误判率大概为 0.05%，是可以接受的范围，而且布隆过滤器的效率极高。

因此，通过布隆过滤器，我们能判断生成的随机数是否重复：如果重复，就重新生成一个；如果不重复，就存入布隆过滤器和数据库，从而保证每次取到的随机数都是唯一的。

4）将短链接存到数据库

存库时，可能会因为库存量和技术栈，选用不同的数据库。但由于公司部门用 MySQL 比较多，且当前题目未提及技术选型，所以我们还是选用 MySQL 作为持久化数据库。

每当生成一个短链接后，需要在 MySQL 存储短链接到长链接的映射关系并加上唯一索引，即 zAL6e -> 真实URL。

03 重定向过程

浏览器访问短链接服务时，根据短链地址取到原始 URL，然后进行网址重定向。我们通常有两种重定向方式：

• 一种是返回给浏览器 301 响应码永久重定向，让其后续直接访问真实的 URL 地址；

• 一种是 302 临时重定向，让浏览器当前这次访问真实 URL，但后续请求时还是根据短链地址访问。

虽然用 301 浏览器只需一次请求，后续可以直接从浏览器获取长链接，这种方法可以提升访问速度，但是它没法统计短链接的访问次数。

所以根据业务需要，我们一般选用 302 重定向。

04 缓存设计

由于短链接是分发到多个用户手里的，可能在短时间内会多次访问，所以从 MySQL 写入/获取到长链接后可以放入 redis 缓存。

1）加入缓存

并且，短链接和长链接的对应关系一般不会频繁修改，所以数据库和缓存的一致性通过简单的旁路缓存模式来保证：

• 读（Read）数据时，若缓存未命中，则先读 DB，从 DB 中取出数据，放入缓存，同时返回响应；

• 写（Write）数据时，先更新 DB，再删除缓存。

当用户需要生成短链接时，先到这个映射表中看一下有没有对应的短链接地址。有就直接返回，并将这个 key-value 的过期时间增加一小时；没有就重新生成，并且将对应关系存入这个映射表中。

缓存的淘汰策略可以选用：

• LRU：Least Recently Used，最近最少使用算法，最近经常被读写的短链地址作为热点数据可以一直存在于缓存，淘汰那些很久没有访问过的短链 key；

• LFU：Least Frequently Userd，最近最不频繁使用算法，最近访问频率高的短链地址作为热点数据，淘汰那些访问频率较低的短链 key。

2）缓存穿透

但是，使用缓存也防止不了一些异常情况，比如“缓存穿透”。所谓缓存穿透，就是查询一个缓存和数据库中都不存在的短链接，如果并发量很大，就会导致所有在缓存中不存在的请求都打到 MySQL 服务器上，导致服务器处理不了这么多请求而阻塞，甚至崩溃。

所以，为了防止不法分子通过类似“缓存穿透”的方式来攻击服务器，我们可以采用两种方法来应对：

• 对不存在的短链地址加缓存，key 为短链接地址，value 值为空，过期时间可以设置得短一点；

• 采用布隆过滤器将已有的短链接多次哈希后存起来，当有短链接请求时，先通过布隆过滤器判断一下该地址是否存在数据库中；如果不在，则说明数据库中不存在该地址，就直接返回。

05 高可用设计

由于缓存和数据库持久化依赖于 Redis 和 MySQL，因此 MySQL 和 Redis 的高可用性必须要保证。

1）MySQL 高可用

MySQL 数据库采用主从复制，进行读写分离。Master 节点进行写操作，Slave 节点用作读操作，并且可以用 Keepalived 来实现高可用。

Keepalived 的原理是采用虚拟 IP，检测入口的多个节点，选用一台热备服务器作为主服务器，并分配给它一个虚拟 IP，外部请求都通过这个虚拟 IP 来访问数据库。

同时，Keepalived 会实时检测多个节点的可用状态，当发现一台服务器宕机或出现故障时，会从集群中将这台服务器踢除。如果这台服务器是主服务器，keepalived 会触发选举操作，从服务器集群中再选出一个服务器充当 master 并分配给它相同的虚拟 IP，以此完成故障转移。

并且，在 Keepalived 的支持下，这些操作都不需要人工参与，只需修复故障机器即可。

2）Redis 高可用

由于在大数据高并发的场景下，写请求全部落在 Redis 的 master 节点上，压力太大。如果一味地采用增加内存和 CPU 这种纵向扩容的方式，那么一台机器所面临的磁盘 IO，网络等压力逐渐增大，也会影响性能。

所以 Redis 采用集群模式，实现数据分片。并且，加入了哨兵机制来保证集群的高可用。它的基本原理是哨兵节点监控集群中所有的主从节点，当主节点宕机或者发生故障以后，哨兵节点会标记它为主观下线；当足够多的哨兵节点将 Redis 主节点标记为主观下线，就将其状态改为客观下线。

此时，哨兵节点们通过选举机制选出一个领头哨兵，对 Redis 主节点进行故障转移操作，以保障 Redis 集群的高可用，这整个流程都不需要人工干预。

3）系统容错

服务在上线之前，需要做好充分的业务量评估，以及性能测试。做好限流、熔断和服务降级的逻辑，比如：采用令牌桶算法实现限流，hystrix 框架来做熔断，并且将常用配置放到可以热更新的配置中心，方便对其实时更改。

当业务量过大时，将同步任务改为异步任务处理。通过这些服务治理方案，让系统更加稳定。

06 后记

当我答完最后一个字的时候，面试官看着我，眼神中充满了“欣赏”与疑惑。我想，他应该是被我这番表现给镇住了，此次面试应该是十拿九稳。

但是，出奇地，面试官没有对刚才的架构设计提出评价，只看了看我说：“那今天的面试就到这里，你有什么想要问的吗？”

这下，轮到我震惊了，那到底过不过呢？倒是给句话呀，于是我问道：“通过这次面试，您觉得我有哪些方面需要提升呢？”

“算法和项目需要再多练练，但是我发现了你一个优点。”面试官笑了笑接着说，“八股文背的倒是挺不错的！”

悬着的心总算放下，我心想：“哦，那稳了~”

作者：xin猿意码
来源：juejin.cn/post/7168090412370886686