短网址(short URL)系统的原理及其实现

本文仅授权过： segmentfault 转载

背景

提供一个短址服务
你有没有发现，我们的任务中出现长 URL 就会比较麻烦？如果有一个短址生成器就好了。虽然市面上有很多，但是我们可以重复发明一个轮子，利用这个机会尝试一下简单的 Web 全栈开发。

任务

做一个短链接生成器，可以将一个长链接缩短成一个短链接。

预览

由 Gigalixir 提供免费部署服务，该地址只用于体验，⚠️ 不提供数据维护存储。

体验地址

要发车了 🚌

发车前，和大家说一下

如果不想重复的造轮子，想开箱即用，可以使用基于 PHP 的开源软件 YOURLS。YOURLS 还可以和 WordPress 整合到一起，功能强大，可扩展性高。

本文记录了开发短网址系统的整个过程，包括初期的算法调研、模块设计、数据库设计、功能扩展等。

什么是短链接 🔗

就是把普通网址，转换成比较短的网址。比如：http://t.cn/RlB2PdD 这种，在微博这些限制字数的应用里。好处不言而喻。短、字符少、美观、便于发布、传播。

百度短网址 http://dwz.cn/
谷歌短网址服务 https://goo.gl/ （需科学上网）号称是最快的 🚀

原理解析

当我们在浏览器里输入 http://t.cn/RlB2PdD 时

1. DNS首先解析获得 http://t.cn 的 IP 地址
2. 当 DNS 获得 IP 地址以后（比如：74.125.225.72），会向这个地址发送 HTTP GET 请求，查询短码 RlB2PdD
3. http://t.cn 服务器会通过短码 RlB2PdD 获取对应的长 URL
4. 请求通过 HTTP 301 转到对应的长 URL https://m.helijia.com 。

这里有个小的知识点，为什么要用 301 跳转而不是 302 呐？

301 是永久重定向，302 是临时重定向。短地址一经生成就不会变化，所以用 301 是符合 http 语义的。同时对服务器压力也会有一定减少。
但是如果使用了 301，我们就无法统计到短地址被点击的次数了。而这个点击次数是一个非常有意思的大数据分析数据源。能够分析出的东西非常非常多。所以选择302虽然会增加服务器压力，但是我想是一个更好的选择。

来自知乎 iammutex 的答案

算法实现

网上比较流行的算法有两种 自增序列算法、 摘要算法

算法一

自增序列算法 也叫永不重复算法

设置 id 自增，一个 10进制 id 对应一个 62进制的数值，1对1，也就不会出现重复的情况。这个利用的就是低进制转化为高进制时，字符数会减少的特性。

如下图：十进制 10000，对应不同进制的字符表示。

短址的长度一般设为 6 位，而每一位是由 [a - z, A - Z, 0 - 9] 总共 62 个字母组成的，所以 6 位的话，总共会有 62^6 ~= 568亿种组合，基本上够用了。

哈哈，这里附上一个进制转换工具 http://tool.lu/hexconvert/ 上图的数据就是用这个工具生成的。

具体的算法实现，自行谷歌。

算法二

1. 将长网址 md5 生成 32 位签名串,分为 4 段, 每段 8 个字节
2. 对这四段循环处理, 取 8 个字节, 将他看成 16 进制串与 0x3fffffff(30位1) 与操作, 即超过 30 位的忽略处理
3. 这 30 位分成 6 段, 每 5 位的数字作为字母表的索引取得特定字符, 依次进行获得 6 位字符串
4. 总的 md5 串可以获得 4 个 6 位串,取里面的任意一个就可作为这个长 url 的短 url 地址

这种算法,虽然会生成4个,但是仍然存在重复几率

两种算法对比

第一种算法的好处就是简单好理解，永不重复。但是短码的长度不固定，随着 id 变大从一位长度开始递增。如果非要让短码长度固定也可以就是让 id 从指定的数字开始递增就可以了。百度短网址用的这种算法。上文说的开源短网址项目 YOURLS 也是采用了这种算法。源码学习

第二种算法，存在碰撞（重复）的可能性，虽然几率很小。短码位数是比较固定的。不会从一位长度递增到多位的。据说微博使用的这种算法。

我使用的算法一。有一个不太好的地方就是出现的短码是有序的，可能会不安全。我的处理方式是构造 62进制的字母不要按顺序排列。因为想实现自定义短码的功能，我又对算法一进行了优化，下文会介绍。

流程图

自增序列算法流程图

只实现长链接转化为短链接的功能，不是很麻烦。在调研的过程中我发现百度短网址可以自定义短码，我觉的这个功能挺不错，结果复杂度就是上图到下图的变化。😭

自增序列算法 + 用户自定义短码 流程图

百度短网址还允许用户自定义短码，算法二 摘要算法，不和 id 绑定，好像挺好实现这个功能的。

但是自增序列算法是和 id 绑定的，如果允许自定义短码就会占用之后的短码，之后的 id 要生成短码的时候就发现短码已经被用了，那么 id 自增一对一不冲突的优势就体现不出来了。

那么怎么实现自定义短码呐？

我是这样处理的：

数据库增加一个类型 type 字段，用来标记短码是用户自定义生成的，还是系统自动生成的。
如果有用户自定义过短码，把它的类型标记自定义。每次根据 id 计算短码的时候，如果发现对应的短码被占用了，就从类型为自定义的记录里选取一条记录，用它的 id 去计算短码。
这样既可以区分哪些长连接是用户自己定义还是系统自动生成的，还可以不浪费被自定义短码占用的 id

我保留了 1 到 2 位的 短码，从三位的短码开始生成的。就像域名的保留域名一样，好的要自己预留 😏

位数	个数	区间
1位	62	0 - 61
2位	3844	62 - 3843
3位	约 23万	3844 - 238327
4位	约 1400万	238328 - 14776335
5位	约 9.1亿	14776336 - 916132831
6位	约 568亿	916132832 - 56800235583

数据表设计

links 表

字段	含义
id	link_id
url	长连接
keyword	短链接码
type	系统: “system” 自定义: “custom”
insert_at	插入时间
updated_at	更新时间

后期功能扩展

统计：点击量、访问的 ip 地域、用户使用的设备

管理后台：删除、数据量

登录：权限管理

设置密码：输入密码才可以继续访问

项目源码

使用 Elixir + phoenix 技术栈 short_url

st=>start: 开始 e=>end: 结束 io1=>inputoutput: 输入网址 io2=>inputoutput: 返回短网址 op1=>operation: 返回对应的短码 op2=>operation: 保存输入的网址到数据库 op3=>operation: 根据id计算对应的短码 op4=>operation: 更新短码到数据库 cond1=>condition: 查询数据库 是否存在对 应的短码 st->io1->cond1 cond1(no,bottom)->op2->op3->op4->op1->io2->e cond1(yes)->op1->io2->e{"scale":1,"line-width":2,"line-length":50,"text-margin":10,"font-size":12}st=>start: 开始 e=>end: 结束 io1=>inputoutput: 输入网址 io2=>inputoutput: 返回短网址 io3=>inputoutput: 提示用户 该短码已存在 io4=>inputoutput: 提示用户 不能输入短链接 op1=>operation: 返回短码 op2=>operation: 保存输入的网址到数据库 op3=>operation: 根据id计算对应的短码 op4=>operation: 查询数据库 获得一条 自定义短码的url 对应的id记录 op5=>operation: 更新短码到数据库 cond1=>condition: 查询数据库 是否存在该URL cond2=>condition: 用户选择 自定义短码 cond3=>condition: 生成的短码 是否存在 cond4=>condition: 短码是否存在 cond5=>condition: 短码是否存在 cond6=>condition: 自定义的短码 是否存在 cond7=>condition: 用户输入的是短链接 st->io1->cond7 cond7(no,bottom)->cond1 cond7(yes)->io4->e cond1(no,bottom)->cond2 cond1(yes)->op1->io2->e cond2(no,bottom)->op3->cond4 cond2(yes)->cond5 cond4(no, bottom)->op5->op1->io2->e cond4(yes)->op4->op3->cond4 cond5(no,bottom)->op5 cond5(yes)->io3->e{"scale":1,"line-width":2,"line-length":50,"text-margin":10,"font-size":12}