# 设计Twitter
![](../pictures/souyisou.png)
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读完本文,你不仅学会了算法套路,还可以顺便去 LeetCode 上拿下如下题目:
[355.设计推特](https://leetcode-cn.com/problems/design-twitter)
**-----------**
「design Twitter」是 LeetCode 上第 355 道题目,不仅题目本身很有意思,而且把合并多个有序链表的算法和面向对象设计(OO design)结合起来了,很有实际意义,本文就带大家来看看这道题。
至于 Twitter 的什么功能跟算法有关系,等我们描述一下题目要求就知道了。
### 一、题目及应用场景简介
Twitter 和微博功能差不多,我们主要要实现这样几个 API:
```java
class Twitter {
/** user 发表一条 tweet 动态 */
public void postTweet(int userId, int tweetId) {}
/** 返回该 user 关注的人(包括他自己)最近的动态 id,
最多 10 条,而且这些动态必须按从新到旧的时间线顺序排列。*/
public List getNewsFeed(int userId) {}
/** follower 关注 followee,如果 Id 不存在则新建 */
public void follow(int followerId, int followeeId) {}
/** follower 取关 followee,如果 Id 不存在则什么都不做 */
public void unfollow(int followerId, int followeeId) {}
}
```
举个具体的例子,方便大家理解 API 的具体用法:
```java
Twitter twitter = new Twitter();
twitter.postTweet(1, 5);
// 用户 1 发送了一条新推文 5
twitter.getNewsFeed(1);
// return [5],因为自己是关注自己的
twitter.follow(1, 2);
// 用户 1 关注了用户 2
twitter.postTweet(2, 6);
// 用户2发送了一个新推文 (id = 6)
twitter.getNewsFeed(1);
// return [6, 5]
// 解释:用户 1 关注了自己和用户 2,所以返回他们的最近推文
// 而且 6 必须在 5 之前,因为 6 是最近发送的
twitter.unfollow(1, 2);
// 用户 1 取消关注了用户 2
twitter.getNewsFeed(1);
// return [5]
```
这个场景在我们的现实生活中非常常见。拿朋友圈举例,比如我刚加到女神的微信,然后我去刷新一下我的朋友圈动态,那么女神的动态就会出现在我的动态列表,而且会和其他动态按时间排好序。只不过 Twitter 是单向关注,微信好友相当于双向关注。除非,被屏蔽...
这几个 API 中大部分都很好实现,最核心的功能难点应该是 `getNewsFeed`,因为返回的结果必须在时间上有序,但问题是用户的关注是动态变化的,怎么办?
**这里就涉及到算法了**:如果我们把每个用户各自的推文存储在链表里,每个链表节点存储文章 id 和一个时间戳 time(记录发帖时间以便比较),而且这个链表是按 time 有序的,那么如果某个用户关注了 k 个用户,我们就可以用合并 k 个有序链表的算法合并出有序的推文列表,正确地 `getNewsFeed` 了!
具体的算法等会讲解。不过,就算我们掌握了算法,应该如何编程表示用户 user 和推文动态 tweet 才能把算法流畅地用出来呢?**这就涉及简单的面向对象设计了**,下面我们来由浅入深,一步一步进行设计。
### 二、面向对象设计
根据刚才的分析,我们需要一个 User 类,储存 user 信息,还需要一个 Tweet 类,储存推文信息,并且要作为链表的节点。所以我们先搭建一下整体的框架:
```java
class Twitter {
private static int timestamp = 0;
private static class Tweet {}
private static class User {}
/* 还有那几个 API 方法 */
public void postTweet(int userId, int tweetId) {}
public List getNewsFeed(int userId) {}
public void follow(int followerId, int followeeId) {}
public void unfollow(int followerId, int followeeId) {}
}
```
之所以要把 Tweet 和 User 类放到 Twitter 类里面,是因为 Tweet 类必须要用到一个全局时间戳 timestamp,而 User 类又需要用到 Tweet 类记录用户发送的推文,所以它们都作为内部类。不过为了清晰和简洁,下文会把每个内部类和 API 方法单独拿出来实现。
**1、Tweet 类的实现**
根据前面的分析,Tweet 类很容易实现:每个 Tweet 实例需要记录自己的 tweetId 和发表时间 time,而且作为链表节点,要有一个指向下一个节点的 next 指针。
```java
class Tweet {
private int id;
private int time;
private Tweet next;
// 需要传入推文内容(id)和发文时间
public Tweet(int id, int time) {
this.id = id;
this.time = time;
this.next = null;
}
}
```
![tweet](../pictures/设计Twitter/tweet.jpg)
**2、User 类的实现**
我们根据实际场景想一想,一个用户需要存储的信息有 userId,关注列表,以及该用户发过的推文列表。其中关注列表应该用集合(Hash Set)这种数据结构来存,因为不能重复,而且需要快速查找;推文列表应该由链表这种数据结构储存,以便于进行有序合并的操作。画个图理解一下:
![User](../pictures/设计Twitter/user.jpg)
除此之外,根据面向对象的设计原则,「关注」「取关」和「发文」应该是 User 的行为,况且关注列表和推文列表也存储在 User 类中,所以我们也应该给 User 添加 follow,unfollow 和 post 这几个方法:
```java
// static int timestamp = 0
class User {
private int id;
public Set followed;
// 用户发表的推文链表头结点
public Tweet head;
public User(int userId) {
followed = new HashSet<>();
this.id = userId;
this.head = null;
// 关注一下自己
follow(id);
}
public void follow(int userId) {
followed.add(userId);
}
public void unfollow(int userId) {
// 不可以取关自己
if (userId != this.id)
followed.remove(userId);
}
public void post(int tweetId) {
Tweet twt = new Tweet(tweetId, timestamp);
timestamp++;
// 将新建的推文插入链表头
// 越靠前的推文 time 值越大
twt.next = head;
head = twt;
}
}
```
**3、几个 API 方法的实现**
```java
class Twitter {
private static int timestamp = 0;
private static class Tweet {...}
private static class User {...}
// 我们需要一个映射将 userId 和 User 对象对应起来
private HashMap userMap = new HashMap<>();
/** user 发表一条 tweet 动态 */
public void postTweet(int userId, int tweetId) {
// 若 userId 不存在,则新建
if (!userMap.containsKey(userId))
userMap.put(userId, new User(userId));
User u = userMap.get(userId);
u.post(tweetId);
}
/** follower 关注 followee */
public void follow(int followerId, int followeeId) {
// 若 follower 不存在,则新建
if(!userMap.containsKey(followerId)){
User u = new User(followerId);
userMap.put(followerId, u);
}
// 若 followee 不存在,则新建
if(!userMap.containsKey(followeeId)){
User u = new User(followeeId);
userMap.put(followeeId, u);
}
userMap.get(followerId).follow(followeeId);
}
/** follower 取关 followee,如果 Id 不存在则什么都不做 */
public void unfollow(int followerId, int followeeId) {
if (userMap.containsKey(followerId)) {
User flwer = userMap.get(followerId);
flwer.unfollow(followeeId);
}
}
/** 返回该 user 关注的人(包括他自己)最近的动态 id,
最多 10 条,而且这些动态必须按从新到旧的时间线顺序排列。*/
public List getNewsFeed(int userId) {
// 需要理解算法,见下文
}
}
```
### 三、算法设计
实现合并 k 个有序链表的算法需要用到优先级队列(Priority Queue),这种数据结构是「二叉堆」最重要的应用,你可以理解为它可以对插入的元素自动排序。乱序的元素插入其中就被放到了正确的位置,可以按照从小到大(或从大到小)有序地取出元素。
```python
PriorityQueue pq
# 乱序插入
for i in {2,4,1,9,6}:
pq.add(i)
while pq not empty:
# 每次取出第一个(最小)元素
print(pq.pop())
# 输出有序:1,2,4,6,9
```
借助这种牛逼的数据结构支持,我们就很容易实现这个核心功能了。注意我们把优先级队列设为按 time 属性**从大到小降序排列**,因为 time 越大意味着时间越近,应该排在前面:
```java
public List getNewsFeed(int userId) {
List res = new ArrayList<>();
if (!userMap.containsKey(userId)) return res;
// 关注列表的用户 Id
Set users = userMap.get(userId).followed;
// 自动通过 time 属性从大到小排序,容量为 users 的大小
PriorityQueue pq =
new PriorityQueue<>(users.size(), (a, b)->(b.time - a.time));
// 先将所有链表头节点插入优先级队列
for (int id : users) {
Tweet twt = userMap.get(id).head;
if (twt == null) continue;
pq.add(twt);
}
while (!pq.isEmpty()) {
// 最多返回 10 条就够了
if (res.size() == 10) break;
// 弹出 time 值最大的(最近发表的)
Tweet twt = pq.poll();
res.add(twt.id);
// 将下一篇 Tweet 插入进行排序
if (twt.next != null)
pq.add(twt.next);
}
return res;
}
```
这个过程是这样的,下面是我制作的一个 GIF 图描述合并链表的过程。假设有三个 Tweet 链表按 time 属性降序排列,我们把他们降序合并添加到 res 中。注意图中链表节点中的数字是 time 属性,不是 id 属性:
![gif](../pictures/设计Twitter/merge.gif)
至此,这道一个极其简化的 Twitter 时间线功能就设计完毕了。
### 四、最后总结
本文运用简单的面向对象技巧和合并 k 个有序链表的算法设计了一套简化的时间线功能,这个功能其实广泛地运用在许多社交应用中。
我们先合理地设计出 User 和 Tweet 两个类,然后基于这个设计之上运用算法解决了最重要的一个功能。可见实际应用中的算法并不是孤立存在的,需要和其他知识混合运用,才能发挥实际价值。
当然,实际应用中的社交 App 数据量是巨大的,考虑到数据库的读写性能,我们的设计可能承受不住流量压力,还是有些太简化了。而且实际的应用都是一个极其庞大的工程,比如下图,是 Twitter 这样的社交网站大致的系统结构:
![design](../pictures/设计Twitter/design.png)
我们解决的问题应该只能算 Timeline Service 模块的一小部分,功能越多,系统的复杂性可能是指数级增长的。所以说合理的顶层设计十分重要,其作用是远超某一个算法的。
最后,Github 上有一个优秀的开源项目,专门收集了很多大型系统设计的案例和解析,而且有中文版本,上面这个图也出自该项目。对系统设计感兴趣的读者可以点击 [这里](https://github.com/donnemartin/system-design-primer) 查看。
PS:本文前两张图片和 GIF 是我第一次尝试用平板的绘图软件制作的,花了很多时间,尤其是 GIF 图,需要一帧一帧制作。如果本文内容对你有帮助,点个赞分个享,鼓励一下我呗!
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