最近，一位网友在面试一个6年经验的Java程序员时，碰到了一个看似简单但实际考验设计能力的场景题：“百亿短URL生成器设计：百亿短URL怎样做到无冲突？”结果，这位程序员居然答不上来。![]()
咋一看，这个问题确实没那么复杂，但细想一下，它可真是考察程序员的设计思维和技术深度啊。那么，作为一个程序员，我来和大家分析一下，这个问题到底应该怎么设计。我们不仅要解决短URL生成的问题，还要保证短URL在亿级别数据量下能做到无冲突，挑战不小。题目分析：百亿短 URL 如何无冲突？
首先，明确一下题目的背景：我们需要设计一个短URL生成器，并且要求生成的短URL能在处理百亿级URL时不发生冲突。短URL生成器的本质是将长URL映射成一个短字符串，并且这个短字符串在所有可能的长URL中必须唯一。问题的关键在于如何在亿级数据量下仍然保持短URL的唯一性，并且尽量避免哈希冲突。1. 短URL的基本要求
- 唯一性：每个长URL必须有一个唯一对应的短URL，不能有重复。
- 短小：短URL的长度必须足够短，以减少存储和传输的成本。
- 高效性：生成短URL的过程应该高效，特别是在大数据量的情况下。
2. 如何生成短URL？
要生成短URL，最直接的方式就是用哈希算法。常见的哈希算法有MD5、SHA等，但它们生成的哈希值长且固定。我们不可能将一个长字符串（比如256位的SHA-256哈希）直接用作短URL，因为它既长又不方便传输。- 哈希算法映射：使用一种哈希算法（例如SHA-256）将长URL转化为一个固定长度的哈希值。
- 编码映射：为了使短URL更短，我们可以使用Base62编码将哈希值转换为一个较短的字符串，Base62使用的是大小写字母和数字（共62个字符），可以更紧凑地表示数据。
但是，哈希算法毕竟是有冲突的可能的。比如，当两个长URL哈希值在经过编码后映射到相同的短URL时，就发生了冲突。因此，如何避免这种冲突是一个问题。3. 解决冲突的方法
a) 使用Base62编码来缩短URL长度
Base62是一种常见的编码方式，它将数字从0到61映射到62个字符（0-9、a-z、A-Z），所以它能够在保持短URL长度的情况下，提供一个较大的唯一性空间。假设我们将生成的哈希值进行Base62编码，如果使用6个字符，Base62可以表示62^6个不同的值，这大概是56亿。对于百亿级别的URL生成，我们需要使用更长的编码，比如7个字符的Base62编码，可以支持大约350亿个唯一值。b) 检查哈希冲突并重新生成
即使是Base62编码，依然可能遇到哈希冲突。因此，我们在生成短URL时，需要做一个冲突检测的步骤。可以使用 布隆过滤器 或者直接通过一个哈希表（如数据库或者内存中的数据结构）来存储已生成的短URL。如果发现生成的短URL已经存在，那么就需要重新生成一个新的短URL，直到没有冲突为止。c) 分布式哈希算法
为了处理海量数据，还可以采用分布式哈希算法。例如，一致性哈希，这种方法可以确保在海量数据的分布式系统中，有效地分配短URL的生成任务，避免出现热点和负载过重的情况。4. 优化存储和查询
当我们设计短URL生成器时，还需要考虑存储和查询的高效性。对于百万、甚至十亿级别的数据量，传统的单机数据库和简单的映射表可能效率不高。因此，我们需要优化数据的存储结构。常用的优化方法包括：- 使用分布式缓存：像 Redis 这种内存数据库特别适合存储短URL和长URL的映射关系。它不仅能提供快速的查找和写入操作，还支持数据的持久化。对于短URL的查询，我们可以先在Redis中进行查找，如果找不到，再查询后台数据库。
- 数据库优化：如果使用关系型数据库，应该考虑如何设计高效的索引结构。比如可以利用 B+树索引 或者 哈希索引 来提高查找效率。
- 批量生成与缓存：对于频繁访问的URL，生成短URL之后可以缓存到数据库或者缓存层，避免每次都进行重复计算。
5. 简单代码示例：实现一个基础的短URL生成器
下面给大家一个简单的短URL生成器的实现例子（使用了Base62编码来生成短URL）。import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class URLShortener {
private Map<String, String> urlMap = new HashMap<>();
private static final String BASE62 = "0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
private int counter = 1;
public String encode(String longUrl) {
StringBuilder shortUrl = new StringBuilder();
int id = counter++;
while (id > 0) {
shortUrl.append(BASE62.charAt(id % 62));
id /= 62;
}
shortUrl.reverse();
String shortUrlStr = shortUrl.toString();
urlMap.put(shortUrlStr, longUrl);
return shortUrlStr;
}
public String decode(String shortUrl) {
return urlMap.get(shortUrl);
}
public static void main(String[] args) {
URLShortener shortener = new URLShortener();
String longUrl = "https://www.example.com/very-long-url";
String shortUrl = shortener.encode(longUrl);
System.out.println("Short URL: " + shortUrl);
System.out.println("Decoded URL: " + shortener.decode(shortUrl));
}
}
从这个题目来看，面试官想考察的是应聘者在大规模数据和系统设计方面的思维能力。如果一个6年经验的程序员在面对这种简单的设计题时卡壳，说明他可能缺乏一些系统设计的基础知识，或者对分布式系统、哈希算法的应用了解不足。
而对于我们程序员来说，面对这类题目时，重要的不是“背答案”，而是要从设计角度去思考，考虑系统的可扩展性、性能和安全性。如果一个程序员没有办法在短时间内回答这种基础的设计题，可能需要更多的实践和思考。对编程、职场感兴趣的同学，可以链接我，微信：coder301 拉你进入“程序员交流群”。
