无存储式优惠券编码方案

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简介

优惠券是常见的营销工具，每逢佳节必有促销活动，有活动就会有优惠券。线下活动通常限量提供优惠券，因此不需要特殊设计，但是互联网环境下，线上活动开展频繁，而且线上活动用户体量要比线下活动大很多，通常以万为单位进行发放，因此需要优化优惠券存储，降低空间成本（互联网活动通常采用广撒网的方式）。这里需要特别注意本文针对的优惠券需求，有以下几个特殊点：

预先生成，在活动正式开始前生成优惠券（生成指的是需要预先知道优惠券活动Id、优惠券面值、优惠券序号，例如活动id为1，面值100，满1000减100，优惠券序号1~1,000,000）
优惠券体量大，以万为单位，通常在10万级别以上

在互联网电商中的优惠券通常不需要预先生成，只需要在用户领取时分配优惠券信息即可，在线下和线上结合使用场景中，预生成方式很实用，在预生成的模式下，如果全量存储优惠券将浪费大量空间，因为优惠券不会100%被使用（瓶装饮料经常会出现输入优惠编码兑换奖品活动）。

需求

线上线下营销需要优惠券功能来支撑，传统的方式是生成优惠券方案，提供以下内容：

活动id
活动名称
优惠券面值
优惠券使用条件
发放条件
发放数量

创建优惠券方案后不会立即生成优惠券，只有当用户领取的时候才会生成用户优惠券记录，这是主流方案，可以避免生成大量优惠券记录，浪费存储空间，但是没办法满足需要预生成的要求。我们需要设置一套优惠券编码方案，既可以满足预生成要求，同时要避免浪费存储空间。

设计思路

预生成的优惠券号通常是一段无规则的字符串，类似于：yuIkJGGS,用户输入优惠编号领取对应的优惠券，yuIkJGGS经过解析可以得到活动id信息，

通过上述分析可以知道，优惠券通过活动id就可以知道优惠券详细信息，为了防止重复使用，我们可以为每一张优惠券设置一个唯一编号，同时为了验证优惠券的有效性，需要添加校验码信息，因此一个优惠券通常有以下字段组成：

活动id
优惠券编号
校验码

我们可以设置一个功能函数：H活动Id,优惠券编号) => code，输入活动Id、优惠券编号参数，输出code，我们将code设置为校验码，H可以是md5、sha256等一系列单项函数。

得到活动Id、优惠券编号、校验码之后我们通过对其进行编码得到优惠券号信息，我们假设编码函数为E，那么转换函数可以写成如下形式：

E(活动Id、优惠券编号, H(活动Id、优惠券编号)) => yuIkJGGS    假设输出是yuIkJGGS

那么我们只需要设计实现H、E两个函数即可。

H函数分析

H可以理解为一个签名函数，我们使用这个函数生成的code来鉴别真伪，方式他人仿照，那么这里有很多种实现方案，例如，我们可以参照区块链签名方案（注意这里指示为了讲解方便，本文不是按照这个方式实现）。

secp256k1(keccak256(活动Id + 优惠券编码), privateKey) => 签名数据

签名数据长度不满足要求，我们可以截取前[n, n+m]位（bit）作为校验码，

本文使用13bit来表示检验码，计算方式如下所示

前6位表示（活动Id + 优惠编码）组成数字中的二进制中1的个数，例如，活动id为2，二进制为10,优惠编码是5,二进制为101，那么（活动Id + 优惠编码）二进制是10101，1的个数为3
后7位表示活动Id+优惠编码组成的数字进行取模运算，具体看代码

伪代码如下所示：

/// couponSchemeId表示活动id， redeemSerialNum表示优惠券序号
/// COUPON_ID_BIT_LEN 表示活动Id二进制位数
redeemSerialNum = redeemSerialNum << COUPON_ID_BIT_LEN;
/// r 表示 活动id + 优惠券编号
long r = couponSchemeId | redeemSerialNum;
/// 计算二进制表示形式中的1的个数（前6位值）
long n = numOfOne(r);
/// 取模运算
long re = r % DIVISOR;
/// 加入后7位值
n = (n << REMAINDER_BIT_LEN) | re;
return n;

E函数分析

E函数将输入的参数进行编码生成无规则字符串，同时能够对编号后的字符串进行还原，因此不能使用hash这类单向函数。这里我们参考进制转换，例如，二进制只有两个元素（0，1），16进制有16个元素（0-9，a-f），16进制中的某一位可以有16种选择，而二进制只有2种选择，类似的我们要先寻找一个编码空间。

我们使用a-z,A-Z,数字0-9元素，同时去除了容易混淆的大写O、大写I，（60个元素）：

abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHJKLMNPQRSTUVWXZY0123456789

我们来回顾一下10进制转二进制运算规则：

十进制转换成二进制1717/2 = 8 ... 18/2  = 4 ... 04/2  = 2 ... 02/2  = 1 ... 01/2  = 0 ... 1
十进制转换成n进制类似

转换代码如下所示：

private static final char[] r =new char[]{'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', 'J', 'K', 'L', 'M', 'N', 'P', 'Q', 'R', 'S', 'T', 'U', 'V', 'W','X', 'Z', 'Y', '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9'}
private static final int l = r.length;public static String enRedeemCode(long redeemNum) {/// buf存储余数信息，这里需要保证余数位数小于buf长度char[] buf = new char[32];int charPos = 32;while ((redeemNum / l) > 0) {/// 得到余数int ind = (int) (redeemNum % l);/// 将余数映射到r字符空间中，buf存储映射后的字符buf[--charPos] = r[ind];redeemNum /= l;}buf[--charPos] = r[(int) (redeemNum % l)];/// 将存储的字符数组转化为字符串String str = new String(buf, charPos, (32 - charPos));return str;
}

上述代码中的redeemNum由活动Id、优惠券编号、校验码组成，组成结构如下：

-------------------------------------------------------------
｜30位优惠券编号 ｜    15位活动id    ｜     13位校验位(前6 + 后7) ｜
---------------|------------------|--------------------------|- 优惠券编号：30位bit位可表示范围：1073741824（10亿优惠券）
- 活动Id：15位表示，可以表示范围：32768（考虑到运营活动的频率，15位足够，365天每天有运营活动，可以使用89年）

伪代码如下所示：

/*** 生成优惠券编码* -------------------------------------------------------* 30位优惠券编号         15位活动id      13位校验位(前6 + 后7)* -------------------|--------------|--------------------|** @param couponSchemeId 活动Id* @param redeemSerialNum 优惠券编号* @return*/
public static long enRedeemNum(long couponSchemeId, long redeemSerialNum) {/// COUPON_ID_BIT_LEN表示活动Id二进制位数，这里是15redeemSerialNum = redeemSerialNum << COUPON_ID_BIT_LEN;/// 使用或运算将活动id和优惠券编号组合在一起long r = couponSchemeId | redeemSerialNum;/// 下面整合校验码到编码中long n = numOfOne(r);long re = r % DIVISOR;r = (r << NUMBER_OF_ONE_BIT_LEN) | n;r = (r << REMAINDER_BIT_LEN) | re;return r;
}

生成优惠券编码后，在利用进制转换函数将Long类型转换为字符串。

校验函数分析

完成编码操作后得到优惠券编码信息，例如获取活动id为1，优惠券序号为10，那么得到编码为：dBhLzM

当用户输入上述编码后，需要对编码的正确性进行校验，并且需要解码出活动id和优惠券编号，逆向操作上述编码可以很容易实现，校验代码如下：

/// 将优惠券编码转化为10进制表示形式
public static long deRedeemCode(String redeemCode) {char chs[] = redeemCode.toCharArray();long res = 0L;for (int i = 0; i < chs.length; i++) {int ind = -1;for (int j = 0; j < l; j++) {if (chs[i] == r[j]) {ind = j;break;}}if (ind == -1) {return -1;}if (i > 0) {res = res * l + ind;} else {res = ind;}}return res;
}校验10进制表示的优惠券编码public static boolean checkVaild(long redeemNum) {if (redeemNum > 0) {/// 先获取校验码后7位long checkSum = redeemNum & REMAINDER_MASK;/// 得到校验码前6位long n = (redeemNum & NUMBER_OF_ONE_MASK) >> REMAINDER_BIT_LEN;/// 获取 优惠券编号 + 活动Id数值信息long r = redeemNum >> CHECK_SUM_BIT_LEN;/// 校验前6位信息是否一致if (numOfOne(r) == n) {/// 校验后7位数值是否一致if (r % DIVISOR == checkSum) {return Boolean.TRUE;}}}return Boolean.FALSE;
}

至此完成了无存储式优惠券编码方案

总结

主要实现了如下功能：

选取字符空间
设置活动Id、优惠券编号、校验码结构（二进制位数以及二进制内容组建方式）
将10进制转化为N进制（本文N表示60）
将转化后的N进制映射到字符空间中，然后转化为字符串输出
设计校验函数
解码函数

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