USSD应用短码生成、过期与失效架构优化方案咨询

需求概述 #

• 用户与药房从业者通话后生成4/5位数字短码，用于支付流程（系统通过短码匹配对应支付金额）
• 短码规则：72小时自动过期，或使用后立即失效
• 设计目标：降低用户输入错误，保证短码唯一、高效生成与生命周期管理

当前实现方案 #

• 采用二次剩余算法生成4位随机唯一短码
• 短码及关联用户数据存储于Redis，设置72小时过期时间，未新增MySQL表或字段
• 分配短码前检查Redis确保唯一性
• 短码一经使用立即从Redis移除

当前短码生成代码（中文注释） #

import random
import math

def is_prime(n):
    """判断一个数是否为质数"""
    if n < 2:
        return False
    for i in range(2, int(math.sqrt(n)) + 1):
        if n % i == 0:
            return False
    return True

def generate_random_prime():
    """生成一个1000到9999之间的随机质数"""
    while True:
        prime_number = random.randint(1000, 9999)
        if is_prime(prime_number):
            return prime_number

def generate_quadratic_residue(prime_number):
    """生成一个模质数的随机二次剩余"""
    while True:
        quadratic_residue = random.randint(1, prime_number - 1)
        if (quadratic_residue ** 2 % prime_number != 1):
            return quadratic_residue

def generate_unique_code():
    """使用二次剩余生成唯一4位短码"""
    prime = generate_random_prime()
    quadratic_residue = generate_quadratic_residue(prime)
    code = str(quadratic_residue).zfill(4)
    return code

架构优化建议 #

一、短码生成效率与唯一性优化 #

1. 替换二次剩余算法，提升生成速度
   当前算法依赖随机质数生成，循环判断质数的逻辑在高并发场景下会出现性能瓶颈。推荐两种更高效的方案：

   • 预生成短码池：提前批量生成所有可用的4/5位数字短码（4位共9000个，5位共90000个），存入Redis列表中，分配时直接从列表头部弹出。通过Celery定时任务定期补充已耗尽的短码池，避免实时计算开销。
   • 定制化短码生成器：基于时间戳+自增序列实现简化版生成逻辑，比如取最近N位时间戳与自增数拼接后取模，确保在4/5位范围内且唯一，适合高并发场景下的快速生成。

2. 解决并发竞态问题
   当前“检查Redis→生成短码→存入Redis”的流程存在并发冲突风险，高并发下可能出现重复短码。建议改用Redis的SETNX命令：将短码作为键，关联的用户/金额数据作为值，同时设置72小时过期时间。若SETNX返回成功则分配完成，失败则重新获取新短码，一步完成唯一性校验与存储，彻底避免竞态。

二、短码生命周期管理优化 #

1. 强化过期清理机制
   Redis的过期清理是惰性删除+定期扫描，可能存在过期短码未及时清理的情况。补充两个兜底方案：

   • 通过Celery定时任务每日扫描Redis中的短码键，主动删除已过期的条目，释放内存空间。
   • 新增MySQL归档表ussd_payment_codes，记录短码的code、user_id、amount、expire_time、used_time、status等字段，当支付状态变更（已支付/取消）时，通过RabbitMQ发送事件，触发Celery异步删除Redis中对应短码，同时更新归档表状态。

2. 使用后的联动处理
   短码使用后除了移除Redis数据，还需：

   • 将短码使用记录同步到MySQL归档表，用于后续对账、审计和业务分析。
   • 通过RabbitMQ发送消息通知药房端系统更新订单状态，实现支付流程闭环。

三、扩展性与容错优化 #

1. 支持短码位数动态切换
   在配置文件中增加短码位数开关（4位/5位），生成逻辑根据配置动态调整范围，无需修改核心代码，适配用户量增长后的需求变化。

2. 增加重试与容错机制
   当短码生成或存储失败时，通过Celery异步重试（设置最大重试次数），避免用户端收到错误提示；同时记录失败日志，便于排查问题。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Jean-José GBETO