簡單高效的短連結生成服務C#實現
專案中有一處需求，需要把長網址縮為短網址，把結果通過簡訊、微信等渠道推送給客戶。剛開始直接使用網上現成的開放服務，然後在某個週末突然手癢想自己動手實現一個別具特色的長網址（文字）縮短服務。
由於以前做過socket服務，對資料包的封裝排列還有些印象，因此，短網址服務我第一反應是先設計資料的儲存格式，我這裡沒有采用資料庫，而是使用2個檔案來實現：
Url.db儲存使用者提交的長網址文字，Url.idx 儲存資料索引，記錄每次提交資料的位置（Begin）與長度（Length），還有一些附帶資訊（Hits，DateTime）。由於每次新增長網址，對兩個檔案都是進行Append操作，因此即使這兩個檔案體積很大（比如若干GB），也沒有太大的IO壓力。
再看看Url.idx檔案的結構，ID是主鍵，設為Int64型別，轉換為位元組陣列後的長度為8，緊跟的是Begin，該值是把長網址資料續寫到Url.db檔案之前，Url.db檔案的長度，同樣設為Int64型別。長網址的字串長度有限，Int16足夠使用了，Int16.MaxValue==65536，比Url規範定義的4Kb長度還大，Int16轉換為位元組陣列後長度為2位元組。Hits表示短網址的解析次數，設為Int32，位元組長度為4，DateTime 設為Int64，長度8。由於ID不會像資料庫那樣自動遞增，因此需要手工實現。因此在開始寫入Url.idx前，需要預先讀取最後一行（行是虛的，其實就是最後30位元組）中的的ID值，遞增後才開始寫入新的一行。
也就是說每次提交一個長網址，不管資料有多長（最大不能超過65536位元組），Url.idx 檔案都固定增加 30 位元組。
資料結構一旦明確下來，整個網址縮短服務就變得簡單明瞭。例如連續兩次提交長網址，可能得到的短網址為http://域名/1000，與http://域名/1001，結果顯然很醜陋，域名後面的ID全是數字，而且遞增關係明顯，很容易暴力列舉全部的資料。而且10進位制的數字容量有限，一次提交100萬條的長網址，產生的短網址越來越長，失去意義。
因此下面就開始對ID進行改造，改造的目標有2：
1、增加混淆機制，相鄰兩個ID表面上看不出區別。
2、增加容量，一次性提交100萬條長網址，ID的長度不能有明顯變化。
最簡單最直接的混淆機制，就是把10進位制轉換為62進位制（0-9a-zA-Z），由於順序的abcdef…也很容易猜到下一個ID，因此62進位制字元序列隨機排列一次：
/// <summary>
/// 生成隨機的0-9a-zA-Z字串
/// </summary>
/// <returns></returns>
public static string GenerateKeys()
{
string[] Chars = "0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q,R,S,T,U,V,W,X,Y,Z,a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m,n,o,p,q,r,s,t,u,v,w,x,y,z".Split(',');
int SeekSeek = unchecked((int)DateTime.Now.Ticks);
Random SeekRand = new Random(SeekSeek);
for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
int r = SeekRand.Next(1, Chars.Length);
string f = Chars[0];
Chars[0] = Chars[r - 1];
Chars[r - 1] = f;
}
return string.Join("", Chars);
}
執行一次上面的方法，得到隨機序列：
string Seq = "s9LFkgy5RovixI1aOf8UhdY3r4DMplQZJXPqebE0WSjBn7wVzmN2Gc6THCAKut";
用這個序列字串替代0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ，具有很強的混淆特性。一個10進位制的數字按上面的序列轉換為62進位制，將變得面目全非，附轉換方法：
/// <summary>
/// 10進位制轉換為62進位制
/// </summary>
/// <param name="id"></param>
/// <returns></returns>
private static string Convert(long id)
{
if (id < 62)
{
return Seq[(int)id].ToString();
}
int y = (int)(id % 62);
long x = (long)(id / 62);
return Convert(x) + Seq[y];
}
/// <summary>
/// 將62進位制轉為10進位制
/// </summary>
/// <param name="Num"></param>
/// <returns></returns>
private static long Convert(string Num)
{
long v = 0;
int Len = Num.Length;
for (int i = Len - 1; i >= 0; i--)
{
int t = Seq.IndexOf(Num[i]);
double s = (Len - i) - 1;
long m = (long)(Math.Pow(62, s) * t);
v += m;
}
return v;
}
例如執行 Convert(123456789) 得到 RYswX，執行 Convert(123456790) 得到 RYswP。
如果通過分析大量的連續數值，還是可以暴力算出上面的Seq序列值，進而猜測到某個ID左右兩邊的數值。下面進一步強化混淆，ID每次遞增的單位不是固定的1，而是一個隨機值，比如1000,1005,1013,1014,1020，毫無規律可言。
private static Int16 GetRnd(Random seekRand)
{
Int16 s = (Int16)seekRand.Next(1, 11);
return s;
}
即使把62進位制的值逆向計算出10進位制的ID值，也難於猜測到左右兩邊的值，大大增加暴力列舉的難度。難度雖然增加，但是連續產生的2個62進位制值如前面的RyswX與RyswP，僅個位數不同，還是很像，因此我們再進行第三次簡單的混淆，把62進位制字元向左（右）旋轉一定次數（解析時反向旋轉同樣的次數）：
/// <summary>
/// 混淆id為字串
/// </summary>
/// <param name="id"></param>
/// <returns></returns>
private static string Mixup(long id)
{
string Key = Convert(id);
int s = 0;
foreach (char c in Key)
{
s += (int)c;
}
int Len = Key.Length;
int x = (s % Len);
char[] arr = Key.ToCharArray();
char[] newarr = new char[arr.Length];
Array.Copy(arr, x, newarr, 0, Len - x);
Array.Copy(arr, 0, newarr, Len - x, x);
string NewKey = "";
foreach (char c in newarr)
{
NewKey += c;
}
return NewKey;
}
/// <summary>
/// 解開混淆字串
/// </summary>
/// <param name="Key"></param>
/// <returns></returns>
private static long UnMixup(string Key)
{
int s = 0;
foreach (char c in Key)
{
s += (int)c;
}
int Len = Key.Length;
int x = (s % Len);
x = Len - x;
char[] arr = Key.ToCharArray();
char[] newarr = new char[arr.Length];
Array.Copy(arr, x, newarr, 0, Len - x);
Array.Copy(arr, 0, newarr, Len - x, x);
string NewKey = "";
foreach (char c in newarr)
{
NewKey += c;
}
return Convert(NewKey);
}
執行 Mixup(123456789)得到wXRYs，假如隨機遞增值為7，則下一條記錄的ID執行 Mixup(123456796)得到swWRY，肉眼上很難再聯想到這兩個ID值是相鄰的。
以上講述了資料結構與ID的混淆機制，下面講述的是短網址的解析機制。
得到了短網址，如wXRYs，我們可以通過上面提供的UnMixup()方法，逆向計算出ID值，由於ID不是遞增步長為1的數字，因此不能根據ID馬上計算出記錄在索引檔案中的位置（如：ID * 30）。由於ID是按小到大的順序排列，因此在索引檔案中定位ID，非二分查詢法莫屬。
//二分法查詢的核心程式碼片段
FileStream Index = new FileStream(IndexFile, FileMode.OpenOrCreate, FileAccess.ReadWrite);
long Id =;//解析短網址得到的真實ID
long Left = 0;
long Right = (long)(Index.Length / 30) - 1;
long Middle = -1;
while (Left <= Right)
{
Middle = (long)(Math.Floor((double)((Right + Left) / 2)));
if (Middle < 0) break;
Index.Position = Middle * 30;
Index.Read(buff, 0, 8);
long val = BitConverter.ToInt64(buff, 0);
if (val == Id) break;
if (val < Id)
{
Left = Middle + 1;
}
else
{
Right = Middle - 1;
}
}
Index.Close();
二分法查詢的核心是不斷移動指標，讀取中間的8位元組，轉換為數字後再與目標ID比較的過程。這是一個非常高速的演算法，如果有接近43億條短網址記錄，查詢某一個ID，最多隻需要移動32次指標（上面的while迴圈32次）就能找到結果，因為2^32=4294967296。
用二分法查詢是因為前面使用了隨機遞增步長，如果遞增步長設為1，則二分法可免，直接從 ID*30 就能一次性精準定位到索引檔案中的位置。
下面是完整的程式碼，封裝了一個ShortenUrl類：
using System;
using System.Linq;
using System.Web;
using System.IO;
using System.Text;
/// <summary>
/// ShortenUrl 的摘要說明
/// </summary>
public class ShortenUrl
{
const string Seq = "s9LFkgy5RovixI1aOf8UhdY3r4DMplQZJXPqebE0WSjBn7wVzmN2Gc6THCAKut";
private static string DataFile
{
get { return HttpContext.Current.Server.MapPath("/Url.db"); }
}
private static string IndexFile
{
get { return HttpContext.Current.Server.MapPath("/Url.idx"); }
}
/// <summary>
/// 批量新增網址，按順序返回Key。如果輸入的一組網址中有不合法的元素，則返回陣列的相同位置（下標）的元素將為null。
/// </summary>
/// <param name="Url"></param>
/// <returns></returns>
public static string[] AddUrl(string[] Url)
{
FileStream Index = new FileStream(IndexFile, FileMode.OpenOrCreate, FileAccess.ReadWrite);
FileStream Data = new FileStream(DataFile, FileMode.Append, FileAccess.Write);
Data.Position = Data.Length;
DateTime Now = DateTime.Now;
byte[] dt = BitConverter.GetBytes(Now.ToBinary());
int _Hits = 0;
byte[] Hits = BitConverter.GetBytes(_Hits);
string[] ResultKey = new string[Url.Length];
int seekSeek = unchecked((int)Now.Ticks);
Random seekRand = new Random(seekSeek);
string Host = HttpContext.Current.Request.Url.Host.ToLower();
byte[] Status = BitConverter.GetBytes(true);
//index: ID(8) + Begin(8) + Length(2) + Hits(4) + DateTime(8) = 30
for (int i = 0; i < Url.Length && i<1000; i++)
{
if (Url[i].ToLower().Contains(Host) || Url[i].Length ==0 || Url[i].Length > 4096) continue;
long Begin = Data.Position;
byte[] UrlData = Encoding.UTF8.GetBytes(Url[i]);
Data.Write(UrlData, 0, UrlData.Length);
byte[] buff = new byte[8];
long Last;
if (Index.Length >= 30) //讀取上一條記錄的ID
{
Index.Position = Index.Length - 30;
Index.Read(buff, 0, 8);
Index.Position += 22;
Last = BitConverter.ToInt64(buff, 0);
}
else
{
Last = 1000000; //起步ID，如果太小，生成的短網址會太短。
Index.Position = 0;
}
long RandKey = Last + (long)GetRnd(seekRand);
byte[] BeginData = BitConverter.GetBytes(Begin);
byte[] LengthData = BitConverter.GetBytes((Int16)(UrlData.Length));
byte[] RandKeyData = BitConverter.GetBytes(RandKey);
Index.Write(RandKeyData, 0, 8);
Index.Write(BeginData, 0, 8);
Index.Write(LengthData, 0, 2);
Index.Write(Hits, 0, Hits.Length);
Index.Write(dt, 0, dt.Length);
ResultKey[i] = Mixup(RandKey);
}
Data.Close();
Index.Close();
return ResultKey;
}
/// <summary>
/// 按順序批量解析Key，返回一組長網址。
/// </summary>
/// <param name="Key"></param>
/// <returns></returns>
public static string[] ParseUrl(string[] Key)
{
FileStream Index = new FileStream(IndexFile, FileMode.OpenOrCreate, FileAccess.ReadWrite);
FileStream Data = new FileStream(DataFile, FileMode.Open, FileAccess.Read);
byte[] buff = new byte[8];
long[] Ids = Key.Select(n => UnMixup(n)).ToArray();
string[] Result = new string[Ids.Length];
long _Right = (long)(Index.Length / 30) - 1;
for (int j = 0; j < Ids.Length; j++)
{
long Id = Ids[j];
long Left = 0;
long Right = _Right;
long Middle = -1;
while (Left <= Right)
{
Middle = (long)(Math.Floor((double)((Right + Left) / 2)));
if (Middle < 0) break;
Index.Position = Middle * 30;
Index.Read(buff, 0, 8);
long val = BitConverter.ToInt64(buff, 0);
if (val == Id) break;
if (val < Id)
{
Left = Middle + 1;
}
else
{
Right = Middle - 1;
}
}
string Url = null;
if (Middle != -1)
{
Index.Position = Middle * 30 + 8; //跳過ID
Index.Read(buff, 0, buff.Length);
long Begin = BitConverter.ToInt64(buff, 0);
Index.Read(buff, 0, buff.Length);
Int16 Length = BitConverter.ToInt16(buff, 0);
byte[] UrlTxt = new byte[Length];
Data.Position = Begin;
Data.Read(UrlTxt, 0, UrlTxt.Length);
int Hits = BitConverter.ToInt32(buff, 2);//跳過2位元組的Length
byte[] NewHits = BitConverter.GetBytes(Hits + 1);//解析次數遞增, 4位元組
Index.Position -= 6;//指標撤回到Length之後
Index.Write(NewHits, 0, NewHits.Length);//覆蓋老的Hits
Url = Encoding.UTF8.GetString(UrlTxt);
}
Result[j] = Url;
}
Data.Close();
Index.Close();
return Result;
}
/// <summary>
/// 混淆id為字串
/// </summary>
/// <param name="id"></param>
/// <returns></returns>
private static string Mixup(long id)
{
string Key = Convert(id);
int s = 0;
foreach (char c in Key)
{
s += (int)c;
}
int Len = Key.Length;
int x = (s % Len);
char[] arr = Key.ToCharArray();
char[] newarr = new char[arr.Length];
Array.Copy(arr, x, newarr, 0, Len - x);
Array.Copy(arr, 0, newarr, Len - x, x);
string NewKey = "";
foreach (char c in newarr)
{
NewKey += c;
}
return NewKey;
}
/// <summary>
/// 解開混淆字串
/// </summary>
/// <param name="Key"></param>
/// <returns></returns>
private static long UnMixup(string Key)
{
int s = 0;
foreach (char c in Key)
{
s += (int)c;
}
int Len = Key.Length;
int x = (s % Len);
x = Len - x;
char[] arr = Key.ToCharArray();
char[] newarr = new char[arr.Length];
Array.Copy(arr, x, newarr, 0, Len - x);
Array.Copy(arr, 0, newarr, Len - x, x);
string NewKey = "";
foreach (char c in newarr)
{
NewKey += c;
}
return Convert(NewKey);
}
/// <summary>
/// 10進位制轉換為62進位制
/// </summary>
/// <param name="id"></param>
/// <returns></returns>
private static string Convert(long id)
{
if (id < 62)
{
return Seq[(int)id].ToString();
}
int y = (int)(id % 62);
long x = (long)(id / 62);
return Convert(x) + Seq[y];
}
/// <summary>
/// 將62進位制轉為10進位制
/// </summary>
/// <param name="Num"></param>
/// <returns></returns>
private static long Convert(string Num)
{
long v = 0;
int Len = Num.Length;
for (int i = Len - 1; i >= 0; i--)
{
int t = Seq.IndexOf(Num[i]);
double s = (Len - i) - 1;
long m = (long)(Math.Pow(62, s) * t);
v += m;
}
return v;
}
/// <summary>
/// 生成隨機的0-9a-zA-Z字串
/// </summary>
/// <returns></returns>
public static string GenerateKeys()
{
string[] Chars = "0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q,R,S,T,U,V,W,X,Y,Z,a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m,n,o,p,q,r,s,t,u,v,w,x,y,z".Split(',');
int SeekSeek = unchecked((int)DateTime.Now.Ticks);
Random SeekRand = new Random(SeekSeek);
for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
int r = SeekRand.Next(1, Chars.Length);
string f = Chars[0];
Chars[0] = Chars[r - 1];
Chars[r - 1] = f;
}
return string.Join("", Chars);
}
/// <summary>
/// 返回隨機遞增步長
/// </summary>
/// <param name="SeekRand"></param>
/// <returns></returns>
private static Int16 GetRnd(Random SeekRand)
{
Int16 Step = (Int16)SeekRand.Next(1, 11);
return Step;
}
}
本方案的優點：
把10進位制的ID轉換為62進位制的字元，6位數的62進位制字元容量為 62^6約為568億，如果每次隨機遞增值為1~10（取平均值為5），6位字元的容量仍然能容納113.6億條！這個資料已經遠遠大於一般的資料庫承受能力。由於每次提交長網址採用Append方式寫入，因此寫入效能也不會差。在解析短網址時由於採用二分法查詢，僅移動檔案指標與讀取8位元組的快取，效能上依然非常優秀。
缺點：在高併發的情況下，可能會出現檔案開啟失敗等IO異常，如果改用單執行緒的Node.js來實現，或許可以杜絕這種情況。
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