100万QPS短链系统如何设计？

前言

凌晨两点，监控大屏突然飙红——短链服务QPS突破80万！

数据库连接池告急，Redis集群响应延迟突破500ms。

这不是演习，而是某电商平台大促的真实场景。

当每秒百万级请求涌向你的短链服务，你该如何设计系统？

今天这篇文章跟大家一起聊聊100万QPS短链系统要如何设计？

希望对你会有所帮助。

1 短链系统的核心挑战

首先我们一起看看设计一个高并发的短链系统，会遇到哪些核心的挑战。

如下图所示：

百万QPS下的三大生死关：

1. ID生成瓶颈：传统数据库自增ID撑不住百万并发
2. 跳转性能黑洞：302重定向的TCP连接成本
3. 缓存雪崩风险：热点短链瞬间击穿Redis

2 短链生成

2.1 发号器的设计

发号器是短链系统的发动机。

方案对比：

方案	吞吐量	缺点	适用场景
UUID	5万/s	长度长，无法排序	小型系统
Redis自增ID	8万/s	依赖缓存持久化	中型系统
Snowflake	12万/s	时钟回拨问题	中大型系统
分段发号	50万/s	需要预分配	超大型系统

分段发号器实现（Java版）：

public class SegmentIDGen {
    private final AtomicLong currentId = new AtomicLong(0);
    private volatile long maxId;
    private final ExecutorService loader = Executors.newSingleThreadExecutor();

    public void init() {
        loadSegment();
        loader.submit(this::daemonLoad);
    }

    private void loadSegment() {
        // 从DB获取号段：SELECT max_id FROM alloc WHERE biz_tag='short_url'
        this.maxId = dbMaxId + 10000; // 每次取1万个号
        currentId.set(dbMaxId);
    }

    private void daemonLoad() {
        while (currentId.get() > maxId * 0.8) {
            loadSegment(); // 号段使用80%时异步加载
        }
    }

    public long nextId() {
        if (currentId.get() >= maxId) throw new BusyException();
        return currentId.incrementAndGet();
    }
}

关键优化：

1. 双Buffer异步加载（避免加载阻塞）
2. 监控号段使用率（动态调整步长）
3. 多实例分段隔离（biz_tag区分业务）

2.2 短链映射算法

短码映射将长ID转换成62进制的字符串。

转换原理：

2000000000 = 2×62^4 + 17×62^3 + 35×62^2 + 10×62 + 8
           = "Cdz9a"

原始ID: 2000000000，转换为62进制的值为Cdz9a。

// Base62编码（0-9a-zA-Z）
public class Base62Encoder {
    private static final String BASE62 =
        "0123456789ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz";

    public static String encode(long id) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        while (id > 0) {
            sb.append(BASE62.charAt((int)(id % 62)));
            id /= 62;
        }
        return sb.reverse().toString();
    }

    // 测试：生成8位短码
    public static void main(String[] args) {
        long id = 1_000_000_000L;
        System.out.println(encode(id)); // 输出：BFp3qQ
    }
}

编码优势：

• 6位短码可表示 62^6 ≈ 568亿种组合
• 8位短码可表示 62^8 ≈ 218万亿种组合
• 无意义字符串避免被猜测

3 存储架构

3.1 数据存储模型设计

3.2 缓存层级设计

3.3 缓存击穿解决方案

// Redis缓存击穿防护
public String getLongUrl(String shortCode) {
    // 1. 布隆过滤器预检
    if (!bloomFilter.mightContain(shortCode)) {
        return null;
    }

    // 2. 查Redis
    String cacheKey = "url:" + shortCode;
    String longUrl = redis.get(cacheKey);
    if (longUrl != null) {
        return longUrl;
    }

    // 3. 获取分布式锁
    String lockKey = "lock:" + shortCode;
    if (redis.setnx(lockKey, "1", 10)) { // 10秒超时
        try {
            // 4. 二次检查缓存
            longUrl = redis.get(cacheKey);
            if (longUrl != null) return longUrl;

            // 5. 查数据库
            longUrl = db.queryLongUrl(shortCode);
            if (longUrl != null) {
                // 6. 回填Redis
                redis.setex(cacheKey, 3600, longUrl);
            }
            return longUrl;
        } finally {
            redis.del(lockKey);
        }
    } else {
        // 7. 等待重试
        Thread.sleep(50);
        return getLongUrl(shortCode);
    }
}

防护要点：

• 布隆过滤器拦截非法短码
• 分布式锁防止缓存击穿
• 双重检查减少DB压力
• 指数退避重试策略

4 跳转优化

4.1 Nginx层直接跳转

server {
    listen 80;
    server_name s.domain.com;

    location ~ ^/([a-zA-Z0-9]{6,8})$ {
        set $short_code $1;

        # 查询Redis
        redis_pass redis_cluster;
        redis_query GET url:$short_code;

        # 命中则直接302跳转
        if ($redis_value != "") {
            add_header Cache-Control "private, max-age=86400";
            return 302 $redis_value;
        }

        # 未命中转发到后端
        proxy_pass http://backend;
    }
}

性能收益：

• 跳转延迟从100ms降至5ms
• 节省后端服务器资源
• 支持百万级并发连接

4.2 连接池优化

连接池优化可以用Netty实现：

// Netty HTTP连接池配置
public class HttpConnectionPool {
    private final EventLoopGroup group = new NioEventLoopGroup();
    private final Bootstrap bootstrap = new Bootstrap();

    public HttpConnectionPool() {
        bootstrap.group(group)
            .channel(NioSocketChannel.class)
            .option(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true)
            .handler(new HttpClientInitializer());
    }

    public Channel getChannel(String host, int port) throws InterruptedException {
        return bootstrap.connect(host, port).sync().channel();
    }

    // 使用示例
    public void redirect(ChannelHandlerContext ctx, String longUrl) {
        Channel channel = getChannel("target.com", 80);
        channel.writeAndFlush(new DefaultFullHttpRequest(
            HttpVersion.HTTP_1_1,
            HttpMethod.GET,
            longUrl
        ));
        // 处理响应...
    }
}

优化效果：

• TCP连接复用率提升10倍
• 减少80%的TCP握手开销
• QPS承载能力提升3倍

5 百万QPS整体架构

百万QPS整体架构如下图所示：

核心组件解析：

1. 接入层

   • CDN：缓存静态资源
   • Nginx：处理302跳转，本地缓存热点数据

2. 缓存层

   • Redis集群：缓存短链映射
   • 布隆过滤器：拦截非法请求

3. 服务层

   • 短链生成：分布式ID服务
   • 映射查询：高并发查询服务

4. 存储层

   • MySQL：分库分表存储映射关系
   • TiKV：分布式KV存储ID生成状态

6 容灾设计

6.1 限流熔断策略

基于Sentinel的熔断降级：

public class RedirectController {
    @GetMapping("/{shortCode}")
    @SentinelResource(
        value = "redirectService",
        fallback = "fallbackRedirect",
        blockHandler = "blockRedirect"
    )
    public ResponseEntity redirect(@PathVariable String shortCode) {
        // 跳转逻辑...
    }

    // 熔断降级方法
    public ResponseEntity fallbackRedirect(String shortCode, Throwable ex) {
        return ResponseEntity.status(503)
            .body("服务暂时不可用");
    }

    // 限流处理方法
    public ResponseEntity blockRedirect(String shortCode, BlockException ex) {
        return ResponseEntity.status(429)
            .body("请求过于频繁");
    }
}

6.2 多级降级方案

使用多级降级方案：

保证服务的高可用。

6.3 数据分片策略

基于短码分库分表：

public int determineDbShard(String shortCode) {
    // 取短码首字母的ASCII值
    int ascii = (int) shortCode.charAt(0);
    // 分16个库
    return ascii % 16;
}

public int determineTableShard(String shortCode) {
    // 取短码的CRC32值
    CRC32 crc32 = new CRC32();
    crc32.update(shortCode.getBytes());
    // 每库1024张表
    return (int) (crc32.getValue() % 1024);
}

这里成了16个库，每个库有1024张表。

7 性能压测数据对比

优化点	优化前QPS	优化后QPS	提升倍数
原始方案	12,000	-	1x
+Redis缓存	120,000	10x
+Nginx直跳	350,000	2.9x
+连接池优化	780,000	2.2x
+布隆过滤器	1,200,000	1.5x

压测环境：32核64G服务器 × 10台，千兆内网

总结

百万QPS短链架构核心要点如图所示：

四大设计原则：

1. 无状态设计：跳转服务完全无状态，支持无限扩展
2. 读多写少优化：将读性能压榨到极致
3. 分而治之：数据分片，流量分散
4. 柔性可用：宁可部分降级，不可全线崩溃

真正的架构艺术不在于复杂，而在于在百万QPS洪流中，用最简单的路径解决问题。当你的系统能在流量风暴中优雅舞蹈，才是架构师的巅峰时刻。

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