系统设计：可扩展的短链接服务

需求

功能性：

• 缩短 URL（自定义或生成别名）
• 将短 URL 重定向到原始 URL
• 分析（点击次数、来源、地理位置）
• 链接过期

非功能性：

• 每天创建 1 亿个 URL（写入：约 1200/s）
• 每天 100 亿次重定向（读取：约 115,000/s）—— 100:1 读写比
• 重定向可用性 99.99%
• P99 重定向延迟 < 50ms

数据估算

存储：
- 每天 1 亿个新 URL x 365 天 x 5 年 = 1825 亿个 URL
- 每个 URL：约 500 字节（ID + 原始 URL + 元数据）
- 总计：约 90TB

流量：
- 峰值 115,000 次重定向/秒
- 80/20 规则：20% 的 URL 承载 80% 的流量

URL 缩短算法

import string, hashlib

ALPHABET = string.ascii_letters + string.digits  # 62 个字符
BASE = 62

def encode(num: int) -> str:
    result = []
    while num > 0:
        result.append(ALPHABET[num % BASE])
        num //= BASE
    return ''.join(reversed(result)) or ALPHABET[0]

def generate_short_code(url: str, user_id: str) -> str:
    input_str = f"{url}{user_id}"
    hash_value = hashlib.md5(input_str.encode()).hexdigest()
    num = int(hash_value[:8], 16)
    return encode(num).ljust(7, ALPHABET[0])[:7]

数据库设计

CREATE TABLE urls (
  id          BIGSERIAL PRIMARY KEY,
  short_code  VARCHAR(10) UNIQUE NOT NULL,
  long_url    TEXT NOT NULL,
  user_id     BIGINT REFERENCES users(id),
  created_at  TIMESTAMP DEFAULT NOW(),
  expires_at  TIMESTAMP
);
CREATE INDEX idx_short_code ON urls(short_code);

-- 分析（单独的表/服务）
CREATE TABLE url_clicks (
  id          BIGSERIAL PRIMARY KEY,
  short_code  VARCHAR(10) NOT NULL,
  clicked_at  TIMESTAMP DEFAULT NOW(),
  ip_address  INET,
  country     CHAR(2)
);

架构

客户端 -> CDN/负载均衡器 -> API 服务器（无状态）
                                  |
              写入路径                  |                  读取路径
                  |               |              |
         验证服务               |       Redis 缓存（TTL=24h）
                  |               |         命中 -> 返回 URL
           PostgreSQL（主）       |        未命中 -> 读取数据库 -> 缓存
                                  |
分析：API -> Kafka -> ClickHouse（批量聚合）

缓存策略

async def get_long_url(short_code: str) -> str:
    cache_key = f"url:{short_code}"
    cached = await redis.get(cache_key)
    if cached:
        return cached.decode()

    url = await db.fetchone("SELECT long_url FROM urls WHERE short_code = $1", short_code)
    if not url:
        raise NotFoundException(short_code)

    # 抖动 TTL 以防止惊群效应
    import random
    ttl = 86400 + random.randint(0, 3600)
    await redis.setex(cache_key, ttl, url['long_url'])
    return url['long_url']

扩展考虑

1. 读取扩展：热门链接使用 CDN，Redis 集群作为缓存
2. 写入扩展：按 short_code 范围分片数据库，预生成代码池
3. 分析：使用 Kafka + ClickHouse，不拖慢重定向
4. 地理分布：多区域部署，本地缓存

短链接服务是一个典型的读密集型系统，受益于积极缓存。